Большая Советская Энциклопедия (ЛА) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 38

  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 ность, кг/м3 Показатель преломления Температура плавления, K Твердость (по минера логической шкале) Основные длины волн генерации, мкм Вещество Содержание, % (по массе) 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 или шифр стекла Состав, % (по массе) Плотность, кг/м3 Показатель преломления Баритовый крон SiO2—59, BaO—25, Sb2O3—1, K2O—15 (добавки Nd2O3—0,13—10) 3000 1,54 0580 SiO2—67,17, Na2O—15,93, CaO—10,8, Nd2O3—4,78, Al2O3—0,75, Sb2O3 и As2O3—0,38, K2O—0,19 2630 1,5337 Боратное BaO—35, B2O3—45, Nd2O3—20 3870,4 1,65 Лантаноборосиликатное добавка Nd2O3—2 4340 1,691

  Полупроводниковые Л. м. — кристаллы соединений типа AIIBVI (ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe) и AIIIBV (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 бо'льшую, 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, 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. 103н/м2до нескольких am, т. е. (1—9)×105н/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.