4.11.4 Диэлектрики для оптической генерации

Материалы для твердотельных лазеров. В качестве активных элементов твердотельных лазеров используют кристаллические диэлектрики, к которым относятся высокотемпературные монокристаллы окислов ZnO, Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, вольфраматы, молибдаты, ниобаты и другие кислородные соединения; монокристаллы фторидов CaF₂, BaF₂, LaF₃, MnF₂, а также стекла на основе кислородных соединений и фторидов. Наибольшее применение из монокристаллов получили рубин, гранат и флюорит.

Рубин представляет собой кристалл Al₂O₃ бледно-розового цвета, в котором часть ионов алюминия Al³⁺ замещена ионами хрома Cr³⁺.

Для активации рубина в расплав при вытягивании монокристалла вводится примерно 0,05% окиси хрома. Ионы хрома замещают часть ионов алюминия и образуют в кристалле соответствующие энергетические уровни.

Активированный рубин обладает высоким квантовым выходом (70%), большой механической прочностью, высокой теплопроводностью, стойкостью к воздействию мощного излучения, химической стойкостью, возможностью получать сравнительно большие оптические однородные монокристаллы.

Иттрийалюминиевый гранат Y₃Al₅O₁₂, легированный неодимом Nd³⁺, имеет длину волны излучения 1,06 мкм, высокую механическую прочность, хорошую теплопроводность, низкую пороговую энергию возбуждения.

Благодаря этим свойствам гранат используют в лазерах, работающих в режиме непрерывной генерации с выходной мощностью в несколько сот ватт, а также в частотном режиме с частотой повторения импульсов от 5 кГц до единиц гигагерц и в режиме одиночных импульсов с импульсной мощностью в десятки мегаватт.

Флюорит кальция CaF₂ обычно активируют ураном. При концентрации U³⁺ примерно 0,05% длина волны излучения составляет 2,5 мкм.

Специальные стекла активируют ионами редкоземельных металлов. Активированные стекла изготавливают из силикатных, фосфатных, боратных, фтористых, теллуровых, германиевых и других стекол. В качестве активатора в стекломассу чаще всего вводят 3,5% оксида неодима Nd₂O₃.

Преимуществами активных элементов из активированных стекол являются высокая оптическая однородность активного материала; малые потери; технологичность, позволяющая изготавливать образцы больших размеров (1 м и более); возможность массово производить изделия с заданными свойствами. Активированное стекло – один из самых дешевых лазерных материалов.

Активные элементы из неодимных стекол изготавливают в виде стержней диаметром до 7 мм и длиной до 90 мм или жил из пучка волокон.

В качестве активного элемента лазеров применяют также ситаллы, которые занимают промежуточное положение между монокристаллами и стеклами.

Материалы для жидких лазеров. Эти материалы обладают следующими преимуществами по сравнению с лазерными кристаллами и стеклами:

лазерные кристаллы и стекла изготавливаются при высокой температуре, поэтому в них содержатся «замороженные» дефекты структуры, снижающие степень их оптического совершенства. Жидкости свободны от таких дефектов;

предельная мощность лазеров зависит от их размеров, однако максимальные размеры монокристаллов ограничены, в то время как жидкости позволяют создать любой объем активной среды;

при вспышке в твердотельных лазерах большой мощности рабочее тело стремится расколоться, в жидкостях этого не происходит;

в жидких структурах отсутствуют потери, связанные с неоднородностью и дефектностью структуры активного вещества. Жидкие активные среды обладают постоянными оптическими характеристиками;

материалы для жидких оптических квантовых генераторов дешевле твердотельных и просты в изготовлении.

В качестве активных сред в жидких лазерах используют растворы неорганических соединений редкоземельных элементов, растворы дикетонатов редкоземельных элементов (европия, тербия) в органических растворителях.

В лазерах для исследовательских целей применяются растворы некоторых органических красителей (родамин, кумарин и др.), набор которых позволяет получать излучение с длиной волны 0,35÷1,1 мкм. Лазеры на красителях производят с перестраиваемой частотой излучения, что дает возможность использовать их в спектроскопии.

Материалы для газовых лазеров. Эти материалы обладают наибольшим оптическим совершенством, так как молекулы газа значительно слабее взаимодействуют друг с другом, чем в жидкостях или твердых телах.

Газовые лазеры имеют следующие преимущества по сравнению с твердотельными и жидкими лазерами:

для активирования газа используют электрическую накачку. Ток, протекающий через газ при его пробое, переводит молекулы в возбужденное состояние, а затем происходит их переход в основное состояние, которое сопровождается излучением;

малая плотность газовой среды, вследствие чего энергетические уровни в спектре газов очень узкие;

малая плотность газовой среды обеспечивает высокую оптическую однородность, пучок света в газе практически не рассеивается. Поэтому излучение газовых лазеров характеризуется высокой монохроматичностью и направленностью.

К недостаткам газовых лазеров относят невозможность получения больших мощностей излучения из-за малой плотности газовой активной среды.

В маломощных лазерах с высокой монохроматичностью излучения используют газы с низкой электрической прочностью. Необходимая система энергетических уровней обычно достигается в смеси газов. Так, гелий-неоновая смесь, возбуждаемая электрическим зарядом, излучает красный свет с длиной волны 0,63 мкм или инфракрасный с длиной волны 1,153 мкм.

Для резки, сварки, лазерного упрочнения металлов производят лазеры на углекислом газе CO₂, непрерывная мощность излучения которых на длине волны 10,6 мкм достигает 1000 Вт и выше при коэффициенте полезного действия 10÷30%.

Газовые лазеры и мазеры используют для наиболее прецизионных измерений, например, в эталонах длины и времени.