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 (См. Плазма). 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 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

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Кристалл     | Активная примесь    | Плот        | Показатель       | Температура     | Твердость (по | Основные длины    |

|     |------------------------------------------------| ность,      | преломления     | плавления, K     | минера    | волн генерации,      |

|     | Вещество     | Содержание,     | кг/м³        |   |   | логической      | мкм         |

|     |      | % (по массе)     |         |   |   | шкале)     |        |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Al₂O₃    | Cr³⁺       | 0,03—0.7    | 3980        | 1,764  | 2303   | 9      | 0,6943 R₁ линия      |

|     |      |   |         |   |   |        | 0,6929 R₂ линия      |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Y₃Al₅O₁₂       | Nd³⁺      | 0,5—2,5     | 4560        | 1,8347        | 2203±20     | 8,5   | 1,0641 при 300 K     |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| CaWO₄  | Nd³⁺      | 0.5—3        | 6066        | 1,926  | 1843   | 4,5—5      | 1,058 при 300 K      |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| CaF₂     | Dy²⁺      | 0.02—0,06  | 3180        | 1,4335        | 1639   | 4      | 2,36 при 77 K   |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| LaF₃      | Nd³⁺      | 0.5—2        | —     | —      | 1766   |        | 1,0633 при 295 K     |

|     |      |   |         |   |   |        | 1,0631 при 77 K      |

|     |      |   |         |   |   |        | 1,0399 при 77 K      |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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)

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Наименование     | Состав, % (по массе)       | Плотность,   | Показатель |

| или шифр стекла         |        | кг/м³      | преломления     |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Баритовый крон   | SiO₂—59, BaO—25, Sb₂O₃—1, K₂O—15    | 3000      | 1,54    |

|    | (добавки Nd₂O₃—0,13—10)       |      |   |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 0580    | SiO₂—67,17, Na₂O—15,93, CaO—10,8, Nd₂O₃  | 2630      | 1,5337        |

|    | —4,78, Al₂O₃—0,75, Sb₂O₃ и As₂O₃—0,38, K₂   |      |   |

|    | O—0,19           |      |   |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Боратное     | BaO—35, B₂O₃—45, Nd₂O₃—20        | 3870,4   | 1,65    |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Лантаноборосиликатное      | добавка Nd₂O₃—2    | 4340      | 1,691  |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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 бо́льшую, чем р — n переход (Лазерные материалы 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, 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 (Лазерные материалы10 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/м²до 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. 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 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 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.

ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ - вещества, используемые для создания активных сред в лазерах. Применяют диэлектрические монокристаллы и стекла с активными примесями (напр., ионами Cr, Nd), некоторые полупроводниковые материалы, газы (напр., Ar, N2, СО2) и их смеси (напр., смесь Ne с He), растворы органических красителей, пары металлов и др.

, в-ва, используемые в качестве активных сред лазеров. Осн. Л. м. - 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 Л. м. 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 см ³; в нек-рых матрицах (напр., кристаллы Nd_xLa_1-x Р ₅ О ₁₄, неодимовые фосфатные стекла) концентрация активных ионов может достигать 10-15% по массе, т. е. более 10²¹ частиц в 1 см ³. Столь высокая плотность активных частиц позволяет получать значит. мощность генерации с единичного объема Л. м. 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 Л. м. - 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 ^III В ^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 Л. м. 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 (СО ₂, 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 СО ₂ с N₂ и парами Н ₂ О или Не, в к-рых активные частицы - молекулы СО ₂), 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. СО ₂ - 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 см ³) 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. Л. м. - сочетание высокой плотности активных частиц и высокой оптич. однородности в больших объемах. Лит.: 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.

ла́зерные материа́лы

вещества, используемые для создания активных сред в лазерах. Применяют диэлектрические монокристаллы и стёкла с активными примесями (например, ионами Cr, Nd), некоторые полупроводниковые материалы, газы (например, Ar, N₂, СО₂) и их смеси (например, смесь Ne с Не), растворы органических красителей, пары металлов и др.

* * *

ЛА́ЗЕРНЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ, вещества, используемые для создания активных сред в лазерах. Применяют диэлектрические монокристаллы и стекла с активными примесями (напр., ионами Cr, Nd), некоторые полупроводниковые материалы, газы (напр., Ar, N₂, СО₂) и их смеси (напр., смесь Ne с He), растворы органических красителей, пары металлов и др.

вещества, используемые для создания активных сред в лазерах. Применяют диэлектрич. монокристаллы и стёкла с активными примесями (напр., ионами Сr, Nd), нек-рые полупроводниковые материалы, газы (напр., Аr, N₂, СОз) и их смеси (напр., смесь Ne с Не), растворы органич. красителей, пары металлов и др.