ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, вещества, используемые в качестве активных сред лазеров. Основные ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. - диэлектрическая кристаллы и стекла, полупроводниковые кристаллы, газы, неорганическое жидкости и растворы красителей. Диэлектрический 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 так называемой центров окраски (например, F - центры в кристаллах некоторых фторидов). Среди наиболее 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 эксплуатационных свойств превосходят др. неодимовые ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. Среди стекол широкое практическое 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 некоторых матрицах (например, 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 значительной мощность генерации с единичного объема ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. Кристаллы для лазеров выращивают преимущественно путем направленной кристаллизации из расплавов (например, по методу Чохральского); стекла варят в керамич. и платиновых сосудах. Кол-во посторонних примесей в исходных веществах не должно превышать 10^-3-10^-4 % по массе. На диэлектрическая кристаллах и стеклах созданы лазеры, работающие в различные режимах и излучающие преимущественно 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%. Основные недостатки этого типа ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. - сложность выращивания кристаллов больших размеров и высокого оптический качества, низкая теплопроводность и невысокие механические свойства стекол, что препятствует созданию лазеров на стекле, работающих в непрерывном или периодической 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 (например, CdS, GaAs, InAs, PbS), содержащих в своем объеме области, для которых характерен электронно-дырочный переход (р-n-переход), и из кристаллич. гетероструктур, образованных чередованием кристаллич. слоев, различающихся по химический составу, но имеющих одинаковый период кристаллич. решетки. наиболее распространены гетероструктуры, образованные слоями полупроводников типа А^IIIВ^V на основе арсенидов, фосфидов, антимонидов Ga и Аl и их твердых растворов. Гетероструктуры получают также на основе многокомпонентных (тройных и более) твердых растворов замещения (например, Al_xGa_1-xAs), в которых при изменении состава в широких пределах период решетки не меняется. Полупроводниковые монокристаллы получают из особо чистых исходных веществ 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 растворов. Необходимые характеристики достигаются введением примесей в расплав или методом ионного внедрения примесных атомов. В качестве легирующих примесей используют, например, 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 ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. ограничивает выходную мощность лазеров. Газы используются как активные среды различные газовых лазеров. Активными частицами в них может быть 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 (например, СО; смесь He-Ne, в которой активными частицами служат атомы Ne, смеси СО₂ с N₂ и парами Н₂О или Не, в которых активные частицы - молекулы СО₂), в других - приготовление активной среды происходит в процессе работы лазера, например при ионизации нейтральных атомов инертных газов (лазеры на ионизир. газах), образовании возбужденных атомов, радикалов и молекул в результате инициир. химический реакций (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 (химический 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. Неорганическое жидкости и растворы краентелей - активные среды жидкостных лазеров. наиболее часто применяют активные неорганическое 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 - несколько %. В лазерах на красителях применяют ксантеновые, метиновые, оксазиновые красители, производные оксазола и диазола, кумарины и фталимиды. Растворители - 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. ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ м. - сочетание высокой плотности активных частиц и высокой оптический однородности в больших объемах.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей