Лазерні матеріали , речовини, вживані в лазерах як активні середовища. У 1960 був створений перший лазер, в якому роль активного середовища виконував кристал рубіна (Al 2 O 3 — Сг 3+ ). Пізніше стали використовуватися суміш газів Ne і Не (1960), силікатне скло з домішкою іонів Nd 3+ (1961), кристали напівпровідникового з'єднання Gaas (1962), розчини неодима в неорганічній рідині Seocl 2 і розчини органічних фарбників (1966). До 1973 було відомо близько 200 різних Л. м., що охоплюють речовини у всіх агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному і в змозі плазми . Л. м. повинні задовольняти ряду вимог: мати набір енергетичних рівнів, що дозволяють ефективно сприймати енергію, що підводиться ззовні, і з можливо меншими втратами перетворювати її в електромагнітне випромінювання; володіти високою оптичною однорідністю, з тим щоб виключити втрати світла із-за розсіяння, а також високою теплопровідністю і малим коефіцієнтом термічного розширення; бути стійкими по відношенню до різних физико-хімічних дій, перепадам температури, вологості і т.п.; зберігати склад і властивості в процесі роботи. Тверді Л. м. повинні володіти, крім того, високою міцністю і витримувати без руйнування механічну обробку (різання, шліфовку, поліровку), необхідну при виготовленні з них активних елементів.
Іонні кристали з домішками — найбільш показна група Л. м. Кристали неорганічних з'єднань фторидів (Caf 2 , Laf 3 , Liyf 4 і ін.), оксидів (наприклад, Al 2 O 3 ) або складних з'єднань (Cawo 4 , Y 3 Al 5 O 12 , Са 5 (РО 4 ) 3 Р і ін.) містять в своїй крісталліч. гратам іони активних домішок: рідкоземельних (Sm 2+ , Dy 2+ , Tu 2+ , Pr 3+ , Nd 3+ , Er 3+ , Ho 3+ , Tu 3+ ), перехідних (Cr 3+ , Ni 2+ , Co 3+ , V 2+ ) елементів або іонів U 3+ . Концентрація активних домішок в кристалах складає від 0,05 до декількох % по масі. Збудження генерації виробляється методом оптичного накачування, причому енергія поглинається, як правило, безпосередньо домішковими іонами. Ці Л. м. відрізняє: висока концентрація активних часток (10 19 —10 21 іонів на см 3 ) , мала ширина лінії генерації (0,001—0,1 нм ) і мала кутова расходімость випромінювання, що генерується здатність забезпечити як імпульсний, так і безперервний режими роботи лазера. Недоліки — низький (1—5%) ккд(коефіцієнт корисної дії) перетворення електричної енергії в енергію лазерного випромінювання в системі лампа накачування — кристал, трудність виготовлення лазерних стрижнів великих розмірів і необхідної оптичної однорідності. Лазерні кристали з домішками вирощуються переважно шляхом направленої кристалізації розплаву в кристалізаційних апаратах що забезпечують високу стабільність температури розплаву і швидкості росту кристала. Вміст сторонніх домішок у вихідних речовинах для вирощування кристалів не повинно перевищувати 0,01% по масі, а деяких — найбільш небезпечних — 0,0001%. З вирощених кристалів вирізуються циліндрові стрижні завдовжки до 250 мм і діаметром 2—20 мм. Торці стрижнів шліфуються, а потім поліруються. Як правило, стрижні виготовляються з плоскими торцями, паралельними один одному, з точністю 3—5’’ і строго перпендикулярними геометричній осі стрижня; в деяких випадках застосовуються торці сферичної або ін. конфігурації. У таблиці. 1 приведені хімічний склад і фізичні властивості найбільш важливих Л. м. на основі домішкових кристалів.
Таблиця. 1. — Склад і фізичні властивості лазерних матеріалів на основі кристалів з домішками
Кристал
Активна домішка
Плот ность, кг/м 3
Показник заломлення
Температура плавлення, K
Твердість (по мінера логічній шкалі)
Основні довжини хвиль генерації, мкм
Речовина
Вміст % (по масі)
Al 2 O 3
Cr 3+
0,03—0.7
3980
1,764
2303
9
0,6943 R 1 лінія
0,6929 R 2 лінія
Y 3 Al 5 O 12
Nd 3+
0,5—2,5
4560
1,8347
2203±20
8,5
1,0641 при 300 K
Cawo 4
Nd 3+
0.5—3
6066
1,926
1843
4,5—5
1,058 при 300 K
Caf 2
Dy 2+
0.02—0,06
3180
1,4335
1639
4
2,36 при 77 K
Laf 3
Nd 3+
0.5—2
—
—
1766
1,0633 при 295 K
1,0631 при 77 K
1,0399 при 77 K
На відміну від кристалів, лазерні стекла мають внутрішню невпорядковану структура. Поряд із стеклообразующимі компонентамі Sio 2 , В 2 О 3 , P 2 O 3 , Bef 2 і ін., В них містяться Na 2 O, K 2 O, Li 2 O, MGO, САО, BAO, Al 2 O 3 , La 2 O 3 , Sb 2 O 3 і ін. з'єднання. Активними домішками служать найчастіше іони Nd 3+ ; використовуються також Gd 3+ , Er 3+ , Ho 3+ , Yb 3+ . Концентрація Nd 3+ в стеклах доходить до 6% по масі. Гідністю стекол як Л. м., окрім високої концентрації активних часток, є можливість виготовлення активних елементів великих розмірів (до 1,8 м-код довжиною і до 70 мм діаметром) практично будь-якої форми з дуже високою оптичною однорідністю. Недоліки — велика ширина лінії генерації — 3—10 нм і низька теплопровідність, що перешкоджає швидкому відведенню тепла при потужному оптичному накачуванні. У таблиці. 2 приведені хімічний склад і фізичні властивості лазерних стекол. Стекла варять в платинових або керамічних тиглях. Платина, що потрапляє в скло з тигля, знижує потужність лазерного випромінювання т.к. создает у робочому елементі осередки механічного руйнування. Вихідні компоненти шихти для варива стекол не повинні містити сторонніх домішок більше 0,01—0,001% по масі. Особливо небезпечними для неодимових стекол є домішки Fe 2+ , Sm 3+ , Pr 3+ , Dy 3+ , Co, Ni, Cu.
Таблиця. 2. — Склад і фізичні властивості лазерних стекол з неодимом (довжина хвилі генерації 1,06 мкм )
Найменування
або шифр скла
Склад % (по масі)
Щільність, кг/м 3
Показник заломлення
Барітовий крон
Sio 2 —59, Bao—25, Sb 2 O 3 —1, K 2 O—15 (добавки Nd 2 O 3 —0,13—10)
3000
1,54
0580
Sio 2 —67,17, Na 2 O—15,93, Cao—10,8, Nd 2 O 3 —4,78, Al 2 O 3 —0,75, Sb 2 O 3 і As 2 O 3 —0,38, K 2 O—0,19
2630
1,5337
Борат
Bao—35, B 2 O 3 —45, Nd 2 O 3 —20
3870,4
1,65
Лантаноборосилікатноє
добавка Nd 2 O 3 —2
4340
1,691
Напівпровідникові Л. м. — кристали з'єднань типа A II B VI (ZNS, Znse, CDS, Cdse, Cdte, PBS, Pbse, Pbte) і A III B V (Gapas, Gaas, Gasb, Inas, Insb), а також кристали Ті і ін. Кристали напівпровідників вирощують або з розплаву, або з газової фази. Кристали для інжекційних лазерів, що збуджуються шляхом пропускання через робочий елемент електричного струму, мають так звані р — n перехід (див. Електронно-дірковий перехід ) . Товщина р — n переходу складає 0,1 мкм. Випромінювання виникає в шарі р — n переходу, проте випромінюючий шар має товщину більшу, ніж р — n перехід (~ 2 мкм ) . Робочі елементи для інжекційних лазерів, що виготовляються з напівпровідникових кристалів, мають форму прямокутних пластинок розмірами 1´1´0,2 мм. Найкращими енергетичними параметрами володіють р — n переходи в кристалах Gaas. Достоїнства напівпровідникових Л. м. з р — n переходом: високий (що доходить до 50%) ккд(коефіцієнт корисної дії), малі розміри робочих елементів, велика потужність випромінювання, що отримується з 1 см 2 випромінюючої поверхні. Недоліки — технологічні труднощі при здобутті однорідних, високоякісних р — n переходів, широка лінія випромінювання (~10 нм при кімнатній температурі), велика кутова расходімость випромінювання (1—2°). У напівпровідникових лазерах з електронним збудженням або оптичним накачуванням використовуються кристали: чистих з'єднань без введення яких-небудь домішок.
Особливостями газових Л. м. є точна відповідність схеми енергетичних рівнів газу рівням окремих атомів або молекул, складових цей газ, висока оптична однорідність (світловий промінь, проходящий в середовищі газу, практично не розсівається), дуже мала кутова расходімость і вузькі лінії генерації. Недолік — низька концентрація робочих часток (всього 10 14 — 10 17 в см 3 ) . В газорозрядних лазерах, де збудження здійснюється шляхом створення електричного розряду в газі, тиск вагається від сотих доль am, тобто 10 3 н/м 2 до декількох am , тобто (1—9)×10 5 н/м 2 . Робочими частками є або атоми газу (Ne, Хе), або позитивно заряджені іони (Ne 2+ , Ne 3+ , Ar 2+ , Kr 2+ ), або молекули (N 2 , Co 2 , H 2 O, HCN). В деяких випадках до основного робочого газу для поліпшення його роботи домішують інший газ.(газета) Так, в гелієво-неоновому лазері активними випромінюючими частками є атоми Ne. Домішка Не покращує умови збудження атомів Ne шляхом резонансної передачі енергії на їх верхні робочі рівні. У лазерах, що збуджуються в результаті фотодиссоціації, використовується газ Cfзi при тиску 6,7 кн/м 2 (50 мм pm. cm. ) . В газових лазерах із збудженням зовнішнім джерелом світла використовуються пари лужного металу Cs.
Рідкі Л. м. по оптичній однорідності порівнянні з газовими і мають високу щільність активних часток. Окрім того, рідина може циркулювати в резонаторі лазера, що забезпечує ефективне відведення тепла, що виділяється. Недолік — низька стійкість до дії потужного випромінювання оптичного накачування і лазерного випромінювання. У неорганічних рідинах активна домішка — іони Nd 3+ — в концентрації декілька % по масі розчинена в оксихлорідах селену (Seocl 2 ) або фосфору (Pocl 3 ), що містять хлориди деяких металів. Ширіна лінії генерації не перевищує десятих доль нм. Рідкі Л. м. на органічних фарбниках є розчинами молекул родамінов, піроніну, тріпафлавіна, 3-амінофталаміда і ін. в етиловому спирті, гліцерині, воді, розчинах сірчаної кислоти. Збудження генерації здійснюється випромінюванням лазерів на кристалах рубіна, неодимовому склі або світлом імпульсних газорозрядних ламп. Завдяки широким спектрам випромінювання розчинів органічних фарбників можлива плавна перебудова довжини хвилі випромінювання лазера в межах смуги випромінювання.
Літ.: Камінський А. А., Осико Ст Ст, Неорганічні лазерні матеріали з іонною структурою, «Ізв. АН(Академія наук) СРСР. Неорганічні матеріали», 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 Р. О., Рейшахріт А. Л., Люмінесцирующие стекла, як матеріал для оптичних квантових генераторів, там же, 1967, т. 3 № 2, с. 217—59; «Тр. інституту інженерів по електротехніці і електроніці», 1966, т. 54 № 10, с. 57—70; Оптичні квантові генератори на рідинах, «Вісник АН(Академія наук) СРСР», 1969 № 2, с. 52—57; Степанов Би. І., Рубінів А. Н., Оптичні квантові генератори на розчинах органічних фарбників, «Успіхи фізичних наук», 1968, т. 95, ст 1, с. 46.
