Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Лазерные материалы

Лазерные материалы (далее Л), вещества, применяемые в лазерах в качестве активных сред. В 1960 был создан первый лазер, в котором роль активной среды выполнял рубина (23 - Сг3+). Позднее стали использоваться смесь газов и Не (1960), силикатное стекло с примесью ионов 3+ (1961), полупроводникового соединения (1962), растворы неодима в неорганической жидкости 2 и растворы органических красителей (1966). К 1973 было известно около 200 различных Л, охватывающих вещества во всех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и в состоянии плазмы. Л должны удовлетворять ряду требований: иметь набор энергетических уровней, позволяющих эффективно воспринимать подводимую извне энергию и с возможно меньшими потерями преобразовывать ее 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- воздействиям, перепадам температуры, влажности и т.п.; сохранять состав и свойства в процессе работы. Твердые Л должны обладать, кроме того, высокой прочностью и выдерживать без разрушения механическую обработку (резку, шлифовку, полировку), необходимую при изготовлении из них активных элементов.

  Ионные с примесями - наиболее представительная группа Л неорганических соединений (2, 3, 4 и др.), окислов (например, 23) или сложных соединений (4, 3512, Са5(РО4)3Р и др.) содержат в своей решетке ионы активных примесей: редкоземельных (2+, 2+, Tu2+, 3+, 3+, 3+, 3+, Tu3+), переходных (3+, 2+, 3+, 2+) элементов или ионов 3+. Концентрация активных примесей в составляет от 0,05 до нескольких % по массе. Возбуждение генерации производится методом оптической накачки, причем энергия поглощается, как правило, непосредственно примесными ионами. Эти Л 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 - трудность изготовления лазерных стержней больших размеров и необходимой оптической однородности. Лазерные с примесями выращиваются преимущественно путем направленной расплава в аппаратах, обеспечивающих высокую стабильность температуры расплава и скорости роста Содержание посторонних примесей в исходных веществах для выращивания не должно превышать 0,01% по массе, а некоторых - наиболее опасных - 0,0001%. Из выращенных 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 состав и физические свойства наиболее важных Л на основе примесных
Табл. 1. - Состав и физические свойства лазерных материалов на основе с примесями


Активная примесь

Плот
ность, кг/м3

Показатель преломления

Температура плавления,

Твердость (по минера
логической шкале)

Основные длины волн генерации, мкм

Вещество

Содержание, % (по массе)

23

3+

0,03-0.7

3980

1,764

2303

9

0,6943 R1 линия

0,6929 R2 линия

3512

3+

0,5-2,5

4560

1,8347

2203±20

8,5

1,0641 при 300

4

3+

0.5-3

6066

1,926

1843

4,5-5

1,058 при 300

2

2+

0.02-0,06

3180

1,4335

1639

4

2,36 при 77

3

3+

0.5-2

-

-

1766



1,0633 при 295

1,0631 при 77

1,0399 при 77


  В отличие от лазерные стекла имеют неупорядоченную внутреннюю структуру. Наряду со стеклообразующими компонентами 2, В2О3, 23, 2 и др., В них содержатся 2, 2, 2, , СаО, , 23, 23, 23 и др. соединения. Активными примесями служат чаще всего ионы 3+; используются также 3+, 3+, 3+, 3+. Концентрация 3+ в стеклах доходит до 6% по массе. Достоинством стекол как Л, 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 состав и физические свойства лазерных стекол. Стекла варят в или керамических тиглях. попадающая в стекло из тигля, снижает мощность лазерного излучения, т.к. создает 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 2+, 3+, 3+, 3+, , , .

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

Наименование

или шифр стекла

Состав, % (по массе)

Плотность, кг/м3

Показатель преломления

крон

2-59, -25, 23-1, 2-15 (добавки 23-0,13-10)

3000

1,54

0580

2-67,17, 2-15,93, -10,8, 23-4,78, 23-0,75, 23 и 23-0,38, 2-0,19

2630

1,5337

Боратное

-35, 23-45, 23-20

3870,4

1,65


добавка 23-2

4340

1,691


  Полупроводниковые Л - соединений типа A (, , , , , , , ) и A (, , , , ), а также Те и др. полупроводников выращивают либо из расплава, либо из газовой фазы. для инжекционных лазеров, возбуждаемых путем 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 имеют форму прямоугольных пластинок размерами 1´1´0,2 мм. Наилучшими энергетическими параметрами обладают р - n переходы в . Достоинства полупроводниковых Л 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 (~10 нм при комнатной температуре), большая угловая расходимость излучения (1-2°). В полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением или оптической накачкой используются чистых соединений без введения каких-либо примесей.

  Особенностями газовых Л являются точное соответствие схемы энергетических уровней газа уровням отдельных 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 путем 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 газа (, Хе), либо положительно заряженные ионы (2+, 3+, 2+, 2+), либо молекулы (2, 2, 2, ). В некоторых случаях к основному рабочему газу для улучшения его работы примешивают другой газ. Так, в лазере активными излучающими частицами являются . Примесь Не улучшает условия возбуждения путем резонансной передачи энергии на их верхние рабочие уровни. В лазерах, возбуждаемых в результате фотодиссоциации, используется газ з при давлении 6,7 кн/м2 (50 мм pm. cm.). В газовых лазерах с возбуждением внешним источником света используются пары щелочного металла .

  Жидкие Л 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 3+ - в концентрации нескольких % по массе растворена в оксихлоридах (2) или (3), содержащих некоторых металлов. Ширина линии генерации не превышает десятых долей нм. Жидкие Л 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 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.


Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 29.03.2024 11:31:12