Лазерные материалы

ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, вещества, применяемые в лазерах в качестве активных сред. В 1960 году создан первый лазер, в котором роль активной среды выполнял кристалл рубина (α-Аl2O3-Сr3+). Позднее появились лазеры, работающие на смеси газов Ne и Не (I960), на силикатном стекле с примесью ионов Nd3+ (1961), на кристаллах полупроводникового соединения GaAs (1962), на растворах неодима в неорганической жидкости SeOCl2, на растворах органических красителей (1966). К 2010 году известно несколько сотен лазерных материалов во всех агрегатных состояниях - твёрдом, жидком, газообразном и в состоянии плазмы.

Лазерные  материалы должны удовлетворять ряду требований: прежде всего иметь набор энергетических уровней, позволяющий эффективно воспринимать подводимую извне энергию и с возможно меньшими потерями преобразовывать её в индуцированное электромагнитное излучение. Лазерные  материалы должны обладать очень высокой оптической однородностью: градиенты показателя преломления не должны превышать 10-10–6 см–1, а оптические потери на частоте генерации - 10–3-10–4 см. Лазерные  материалы имеют высокую теплопроводность, низкий коэффициент термического расширения, обычно они стойкие по отношению к различным физико-химическим воздействиям, а также к воздействию энергетической накачки и собственного лазерного излучения.

Реклама

Твёрдые лазерные материалы должны обладать достаточно высокой механической прочностью, чтобы без разрушения выдерживать механическую обработку (резку, шлифовку, полировку) при изготовлении из них активных элементов.

Наиболее представительная группа лазерных материалов - кристаллы с примесями. Кристаллы неорганических соединений, простых и сложных по составу фторидов (CaF2, SrF2, LaF3, LiYF4), оксидов и солей (α-Αl2O3, CaWO4, YVO4, Y3Al5O12, Gd3Ga5O12, YAlO3), сульфидов и селенидов (PbGa2S4, ZnSe, CdSe) составляют основы (матрицы) лазерных материалов. В качестве активных примесей используются ионы редкоземельных элементов (Рr3+, Nd3+, Sm2+, Dy2+, Eri+ и др.), переходных элементов (Fe2+, Со2+, Ni2+, Сr3+ и др.) и U3+. Для повышения коэффициента преобразования энергии накачки в энергию лазерного излучения часто в кристаллы-матрицы вводят вторые примеси, так называемые сенсибилизаторы, в качестве которых используют ионы редкоземельных (Er3+, Yb3+) и переходных элементов (например, Cr3+).

Особое место в ряду кристаллических лазерных материалов занимают кристаллы с центрами окраски. В этих лазерных материалах роль активных центров, генерирующих лазерное излучение, играют дефекты кристаллической решётки и их ассоциаты, захватившие или потерявшие один электрон. В этой многочисленной группе лазерных материалов, в которую входят галогениды металлов и некоторые оксидные соединения, выделяются кристаллы LiF с F2- и F2-центрами окраски. Центры окраски обычно образуются при облучении кристаллов LiF различными ионизирующими излучениями (γ-лучами, быстрыми электронами).

Концентрация активных примесей в кристаллах составляет от 0,05 до нескольких десятков процентов по массе. Генерация возбуждается методом оптической накачки; при этом различают спектрально неселективную накачку, когда возбуждение производится с помощью газоразрядных ламп, обладающих широким спектром излучения, и спектрально селективную, при которой в качестве источников излучения накачки используются лазерные диоды или другие лазеры на кристаллах, обладающие узкими спектрами излучения. Селективная накачка обеспечивает более высокий кпд генерации (40-80%), чем неселективная (до 10%).

Лазерные кристаллы обычно выращиваются путём направленной кристаллизации расплавов в кристаллизационных аппаратах, обеспечивающих высокую точность поддержания температуры расплава и скорости роста кристалла. Для выращивания кристаллов используются расплавы высокой степени чистоты. Концентрации примесей, препятствующих процессу роста или ухудшающих оптическую однородность и спектроскопические свойства кристаллов, не должны превышать 0,01% по массе, а лимитируемых (наиболее опасных) - 0,001%.

Кристаллизуемые расплавы заключены в цилиндрических тиглях из тугоплавких металлов (Pt, Ir, Мо) или графита. В некоторых технологиях применяются специальные контейнеры прямоугольной формы из листового Мо. Выращенные кристаллы, представляющие собой цилиндрические були или прямоугольные пластины, как правило, подвергаются отжигу для снятия внутренних механических напряжений. Масса выращенных кристаллов может достигать нескольких десятков кг. Из выращенных кристаллов вырезаются лазерные активные элементы в виде цилиндрических стержней длиной от нескольких мм до 250 мм и диаметром 2-20 мм, прямоугольных пластин и дисков. Рабочие поверхности активных элементов шлифуются и полируются по высокому классу точности: параллельность торцов не ниже 3-5", а шероховатость поверхностей не больше 0,01 мкм.

К началу 21 века широкое распространение получили новые кристаллические лазерные материалы - так называемая лазерная оптическая керамика. В отличие от монокристаллов, обладающих непрерывной, строго упорядоченной структурой, лазерная керамика представляет собой поликристаллический материал, сложенный из монокристаллических зёрен микронного размера. Основой лазерных керамик являются некоторые оксидные и фторидные соединения с кубической кристаллической структурой. Керамические лазерные материалы получают компактированием исходных наноразмерных порошков. На начальной стадии компактирования используется метод так называемого шликерного литья - осаждения плотного осадка порошка из концентрированной суспензии, помещённой в специальную пористую водопоглощающую керамическую форму. В заключительной стадии пористая заготовка спекается в вакуумной печи при температуре ниже температуры плавления материала. В процессе спекания происходит термостимулированная самоорганизация наночастиц и заготовка превращается в максимально плотный оптически прозрачный материал. Преимущество лазерной оптической керамики перед лазерными кристаллами - существенно более высокая механическая прочность. Кроме того, появляется возможность задавать произвольные форму и размеры лазерных элементов.

Смотри также Лазерные стёкла.

Лит.: Каминский А. А. Лазерные кристаллы. М., 1975; Осико В. В. Лазерные материалы. Избранные труды. М., 2002; Басиев Т. Т. и др. Фторидная оптическая нанокерамика // Известия Академии наук. Сер. химическая. 2008. № 5.

В. В. Осико.