Лазерные материалы

ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, в-ва, используемые в качестве активных сред лазеров. Осн. лазерные материалы - диэлектрич. кристаллы и стекла, полупроводниковые кристаллы, газы, неорг. жидкости и р-ры красителей. Диэлектрич. кристаллы и стекла - активные среды твердотельных лазеров. Излучение в них генерируется в результате переходов между энергетич. уровнями, как правило, примесных активных ионов (ионы РЗЭ и переходных металлов; чаще всего Nd³⁺ ) и т. наз. центров окраски (напр., F - центры в кристаллах нек-рых фторидов). Среди наиб. известных лазерных кристаллов Y₃Al₅O₁₂-Nd³⁺, Y₃Al₅O₁₂-Еr³⁺, YAlO₃-Nd³⁺, KGd(WO₄)₂-Nd³⁺, LiYF₄-Nd³⁺, ВeАl₂O₄-Сr³⁺, Аl₂O₃-Сr³⁺, Cd₃Se₂Ga₃O₁₂-Cr³⁺-Nd³⁺. Кристаллы Y₃Al₅O₁₂-Nd³⁺ по совокупности эксплуатац. св-в превосходят др. неодимовые лазерные материалы. Среди стекол широкое практич. применение нашли многокомпонентные стекла на силикатной и фосфатной основе, содержащие ионы Nd³⁺ . Концентрация активных ионов в кристаллах и стеклах обычно составляет 1-2% по массе, что соответствует наличию 10²⁰ частиц в 1 см³; в нек-рых матрицах (напр., кристаллы Nd_xLa_1-xР₅О₁₄, неодимовые фосфатные стекла) концентрация активных ионов может достигать 10-15% по массе, т.е. более 10²¹ частиц в 1 см³. Столь высокая плотность активных частиц позволяет получать значит. мощность генерации с единичного объема лазерного материала. Кристаллы для лазеров выращивают преим. путем направленной кристаллизации из расплавов (напр., по методу Чохральского); стекла варят в керамич. и платиновых сосудах. Кол-во посторонних примесей в исходных в-вах не должно превышать 10^-3-10^-4% по массе. На диэлектрич. кристаллах и стеклах созданы лазеры, работающие в разл. режимах и излучающие преим. в диапазоне длин волн 1-3 мкм. Их мощности генерации достигают 1 кВт в непрерывном режиме (кристаллы Y₃Al₅O₁₂-Nd³⁺), 10¹³ Вт в импульсном режиме при длительности импульса 1 нc (стекло с Nd³⁺ ); кпд 1-5%. Осн. недостатки этого типа лазерных материалов - сложность выращивания кристаллов больших размеров и высокого оптич. качества, низкая теплопроводность и невысокие мех. св-ва стекол, что препятствует созданию лазеров на стекле, работающих в непрерывном или периодич. режиме при большой средней мощности накачки.

Полупроводниковые кристаллы - активные среды полупроводниковых лазеров. Излучение в них генерируется в результате переходов между энергетич. уровнями зоны проводимости и валентной зоны. Используют полупроводники типа A^IIB^VI, A^IIIB^V, A^IVB^VI. Активные элементы изготовляют из монокристаллощ (напр., CdS, GaAs, InAs, PbS), содержащих в своем объеме области, для к-рых характерен электронно-дырочный переход (р-n-переход), и из кристаллич. гетероструктур, образованных чередованием кристаллич. слоев, различающихся по хим. составу, но имеющих одинаковый период кристаллич. решетки. наиб. распространены гетероструктуры, образованные слоями полупроводников типа А^IIIВ^V на основе арсенидов, фосфидов, антимонидов Ga и Аl и их твердых р-ров. Гетероструктуры получают также на основе многокомпонентных (тройных и более) твердых р-ров замещения (напр., Al_xGa_1-xAs), в к-рых при изменении состава в широких пределах период решетки не меняется. Полупроводниковые монокристаллы получают из особо чистых исходных в-в кристаллизацией из расплавов (метод Чохральского, горизонтально направленная или зонная кристаллизация в контейнере, бестигельная зонная плавка) и эпитаксиальным выращиванием тонких кристаллич. слоев при кристаллизации из газовой фазы или расплавов твердых р-ров. Необходимые характеристики достигаются введением примесей в расплав или методом ионного внедрения примесных атомов. В качестве легирующих примесей используют, напр., элементы II (Zn, Cd, Mg; акцепторы электронов), IV, VI (Sn, Те, Se, S; доноры) групп. Благодаря разнообразию полупроводниковых кристаллов созданы лазеры, излучающие в диапазоне длин волн 0,3-30 мкм, обладающие малой инерционностью (~10^-9 с) и высоким кпд (до 50%), работающие как в импульсном, так и в непрерывном режиме (мощности 10⁵ Вт при длительности импульса 3 нc и 10 Вт соответственно). Лучевая прочность полупроводниковых лазерных материалов ограничивает выходную мощность лазеров. Газы используются как активные среды разл. газовых лазеров. Активными частицами в них м. б. нейтральные атомы (Не, Сu, I), устойчивые молекулы (СО₂, СО, N₂, HF), эксимерные молекулы (Аr₂, Kr₂, ArF, KrF), ионы инертных газов (Аr²⁺ , Аr³⁺ , Кr²⁺, Kr³⁺ Ne²⁺ , Ne³⁺ ), пары металлов (Cu⁺, Cd²⁺). Малая плотность газов ограничивает плотность активных частиц величиной 10¹⁵-10¹⁶ см⁺³, в связи с чем энергосъем с единичного объема газовой активной среды невелик. В одних случаях активной средой являются исходные газы или газовые смеси (напр., СО; смесь He-Ne, в к-рой активными частицами служат атомы Ne, смеси СО₂ с N₂ и парами Н₂О или Не, в к-рых активные частицы - молекулы СО₂), в других - приготовление активной среды происходит в процессе работы лазера, напр. при ионизации нейтральных атомов инертных газов (лазеры на ионизир. газах), образовании возбужденных атомов, радикалов и молекул в результате инициир. хим. р-ций (лазеры химические), образовании эксимерных молекул (эксимерные лазеры), испарении металлов (лазеры на парах металлов). Вследствие разнообразия активных газовых сред созданы лазеры, перекрывающие диапазон длин волн от вакуумной УФ области до субмиллиметровых. Мощности генерации составляют 10⁵ Вт в непрерывном режиме (газодинамич. СО₂- лазер) и 10¹¹ Вт в импульсном режиме при длительности импульса 20 нc (хим. HF - лазер). Лазеры на нейтральных атомах, ионизованных газах и парах металлов имеют кпд ~0,1%, кпд газодинамич. лазеров ~1%, кпд мол. лазеров может достигать 25%. Благодаря большой однородности активных газовых сред расходимость лазерного излучения очень незначительна и близка к дифракц. пределу. Неорг. жидкости и р-ры краентелей - активные среды жидкостных лазеров. наиб. часто применяют активные неорг. жидкости на основе POCl₃-SnCl₄, SeOCl₂ и SOCl₂ с примесью ионов Nd³⁺. Генерационными переходами в них являются переходы между уровнями энергии ионов Nd³⁺ (10²⁰ частиц в 1 см³) и молекулами красителей. В лазерах на POQ₃-SnCl₄ (или ZrCl₄)-Nd³⁺ достигнута импульсная мощность генерации 10¹⁰ Вт при длительности импульса 20 не, кпд - неск. %. В лазерах на красителях применяют ксантеновые, метиновые, оксазиновые красители, производные оксазола и диазола, кумарины и фталимиды. Р-рители - спирты, глицерин, H₂SO₄, вода и др. В пределах широких полос излучения красителей возможна плавная перестройка частоты генерации. Лазеры на красителях излучают в диапазоне длин волн 0,34-1,1 мкм; при лазерной накачке в непрерывном режиме генерации достигнута выходная мощность 20 Вт, в импульсном режиме - 10⁸ Вт при длительности импульса 10 нc. Потенциальное преимущество жидкостей перед др. лазерными материалами - сочетание высокой плотности активных частиц и высокой оптич. однородности в больших объемах.

Справочник по лазерам, под ред. А. М. Прохорова, пер. с англ., т. 1-2, М., 1978; Елисеев П. Г., в сб.: Итоги науки и техники, сер. Радиотехника, т. 14, ч. I, М., 1978; Алексеев Н. Е., Гапонцев В. И., Жаботинский М. Е., Лазерные фосфатные стекла, М., 1980; Физика и спектроскопия лазерных кристаллов, М., 1986; Аникеев Ю. Г., Жаботинский М. Е., Кравченко В. Б., Лазеры на неорганических жидкостях, М., 1986; Bennet W. R., The physics of gas lasers, N. Y., 1977. Б. И. Денкер.

Читайте еще

Оптические материалы — виды, свойства и применение

Полупроводниковые материалы

Радиопоглощающие и радиопрозрачные материалы — свойства и применение

Редкоземельные элементы — свойства, переработка и применение

Кварцевое стекло — свойства и применение

Редкоземельные элементы и их оксиды

Электреты — свойства и применение

Электрохимия расплавов — процессы и применения

Расплавы — структура, свойства и применение

Радиационная стойкость материалов — влияние излучений и методы повышения

Неорганическое стекло — свойства, получение и применение