БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ЛА)

Ионные кристаллы с примесями — наиболее представительная группа Л. м. Кристаллы неорганических соединений фторидов (CaF 2, LaF 3, LiYF 4и др.), окислов (например, Al 2O 3) или сложных соединений (CaWO 4, Y 3Al 5O 12, Са 5(РО 4) 3Р и др.) содержат в своей кристаллич. решётке ионы активных примесей: редкоземельных (Sm 2+, Dy 2+, Tu 2+, Pr 3+, Nd 3+, Er 3+, Ho 3+, Tu 3+), переходных (Cr 3+, Ni 2+, Co 3+, V 2+) элементов или ионов U 3+. 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 (10 19—10 21ионов на см 3 ) , 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

В отличие от кристаллов, лазерные стекла имеют неупорядоченную внутреннюю структуру. Наряду со стеклообразующими компонентами SiO 2, В 2О 3, P 2O 3, BeF 2и др., В них содержатся Na 2O, K 2O, Li 2O, MgO, СаО, BaO, Al 2O 3, La 2O 3, Sb 2O 3и др. соединения. Активными примесями служат чаще всего ионы Nd 3+; используются также Gd 3+, Er 3+, Ho 3+, Yb 3+. Концентрация Nd 3+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 Fe 2+, Sm 3+, Pr 3+, Dy 3+, Co, Ni, Cu.

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

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 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 см 2 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 10 14— 10 17в см 3 ) . В газоразрядных лазерах, где возбуждение осуществляется путём создания электрического разряда в газе, давление колеблется от сотых долей am, т. е. 10 3 н/м 2 до нескольких am , т. е. (1—9)×10 5 н/м 2. Рабочими частицами являются либо атомы газа (Ne, Хе), либо положительно заряженные ионы (Ne 2+, Ne 3+, Ar 2+, Kr 2+), либо молекулы (N 2, CO 2, H 2O, 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/м 2 (50 мм pm. cm. ) . В газовых лазерах с возбуждением внешним источником света используются пары щелочного металла Cs.