Активная среда твердотельных лазеров

1. Рубин

Впервые лазерное излучение было получено с помощью кристалла - [Al₂O₃:Cr³⁺]. Он оказался родоначальником семейства кристаллов, которые до сих пор остаются важнейшими кристаллическими лазерными матрицами, несмотря на то, что генерация света получена уже на сотнях кристаллов.

Рубин - один из первых кристаллов, для которого удалось наладить промышленное производство. Впервые мельчайшие кристаллы рубина были получена в 1837 г. Годеном в результате прокаливания смеси сульфида калия с глиноземом в покрытом сажей тигле.

Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия, в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома. В природе Al₂O₃ встречается как в виде чистых, прозрачных кристаллов, называемых альфа-корундом, так и окрашенных благодаря наличию в них примесей.

В лазерной технике обычно используется бледно-розовый рубин с содержанием хрома около 0,05 %, что соответствует 1,6*10¹⁹ ионов Cr³⁺ в 1 см³.

Кристаллы рубина обладают высокой химической стойкостью, слабо растворимы в воде, очень слабо растворяются в кипящей азотной или ортофосфорной кислотах.

Рис. 2. Кристаллическая структура рубина: а - структура Al2O3; б - строение элементарной ячейки кристалла рубина.

Коэффициент теплопроводности корунда очень высок, и в его зависимости от температуры наблюдается максимум в области Т=40К. При температуре жидкого азота коэффициент теплопроводности альфа-корунда превышает даже теплопроводность меди.

Поскольку кристалл рубина анизотропен, то его показатель преломления зависит от поляризации излучения.

Наиболее часто кристаллы рубина выращивают методом Вернейля и по методу Чохральского. Для улучшения оптических качеств кристаллов применяют глубокий диффузионный отжиг до 1900 ^оС в течение 24 ч и боле. Однако существующая технология не обеспечивает получения кристаллов с высокой оптической однородностью и равномерным распределением хрома в поперечном сечении образца.

Кристаллы рубина сравнительно стойки к воздействию мощного излучения. Под действием лазерного излучения большой мощности, в первую очередь, разрушаются торцевые поверхности. Плотность пороговой мощности поверхностного разрушения рубина зависит от длительности импульса, от дефектов и структуры торцевой поверхности. В диапазоне коротких импульсов (t_имп<10^-5 с) пороговая мощность поверхностного разрушения пропорциональна длительности импульса. Для длинных импульсов пороговая мощность не зависит от t_имп и равна приблизительно 10⁴ Вт/мм².

Лазерные рубиновые элементы изготовляются обычно в виде стержней, продольная ось которых составляет с оптической осью кристалла угол 90 или 60^о. Излучение, генерируемое в таких образцах, линейно поляризовано с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости, в которой лежат оптическая ось кристалла и ось цилиндра. В образцах с нулевой ориентацией оптической оси излучение является неполяризованным, однако выращивание таких кристаллов связано с большими технологическими трудностями.

2. Активированные стекла

Наряду с кристаллами в лазерной технике широко используются активные среды на стеклянной основе с примесью различных редкоземельных элементов. К преимуществам стекол как лазерных активных материалов относятся:

1. Технологичность, простота изготовление образцов больших размеров заданной формы,

2. Дешевизна сырья и возможность массового производства изделий с заданными воспроизводимыми свойствами,

3. Высокая оптическая однородность образцов больших размеров,

4. Изотропность свойств и однородность состава,

5. Возможность введения активатора в необходимых концентрациях с равномерным его распределением по объему.

В то же время по сравнению с кристаллами стекла имеют недостатки, к которым относятся:

1. Низкая теплопроводность и высокий температурный коэффициент линейного расширения,

2. Ограниченная область прозрачности (0,33…2,5 мкм), которая при введении примесей может еще более сужаться.

3. Сравнительно слабая фотохимическая стойкость.

Сравнение свойств кристаллов и стекол показывает, что эти материалы дополняют друг друга и, следовательно, одинаково важны для лазерной техники.

Возможность получения оптически совершенных активных элементов больших размеров позволяет получать от стеклянных лазеров очень большие энергии выходного импульса (до нескольких тысяч Джоулей). Кроме того, из-за высокой оптической однородности активного материала КПД стеклянных генераторов может быть выше, чем у генераторов на кристаллах. В то же время недостатки стекол, в особенности низкая теплопроводность, ограничивают область их применения в основном генераторами с небольшой средней мощностью излучения, т.е. с малой частотой следования импульсов.

Стекла классифицируются по основе - стеклообразующему аниону - и по содержанию оксидов - модификаторов. Если основной составной частью стекла является кварц, то стекло называется силикатным; бура или борный ангидрид - боратным; стекла с большим содержанием PbO называют свинцовыми и т.д.

Наряду с силикатными стеклами в квантовой электронике большое значение имеют фосфатные стекла, позволяющие осуществлять эффективную сенсибилизацию. Применяются так же фторберриллатные текла, основу которых составляет BeF₂. Их отличие от других групп связано с тем, чт основу этих стекол составляют не кислородные, а фтористые соединения. Составы фторберриллатных стекол могут быть различными.

Технология получения лазерных стекол почти не отличается от обычной технологии получения высококачественного оптического стекла, однако требования к чистоте исходных материалов, к оптической однородности и совершенству стекол значительно повышены. Жесткие требования к чистоте исходных материалов связаны с тем, что наличие примесей, особенно тяжелых металлов, приводит к появлению нежелательного неактивного поглощения.

К недостаткам стекол относится их сравнительно слабая фотохимическая стойкость и невысокая термостойкость. Под действием излучения накачки в стекле протекают различные фотохимические процессы, приводящие к появлению дополнительного неактивного поглощения. В частности, под действием ультрафиолетового излучения происходит восстановление трехвалентного железа в двухвалентное, которое поглощает излучение в области 1,06 мкм. В результате, происходит старение стекла, активированного неодимом, заключающееся в постепенном сжижении его генерационных характеристик вплоть до исчезновения генерации. Уменьшить этот эффект возможно путем применения специальных стеклянных филтров или фильтрующих растворовЮ поглощающих часть спектра короче 0,4 мкм.

Малая теплопроводность и высокий температурный коэффициент линейного расширения приводят к появлению деформаций и напряжений в процессе работы, которые могут явиться причиной ухудшения параметров излучения и разрушения активного элемента. Наведенное двойное лучепреломление оказывает влияние на распределение интенсивности по сечению луча и может явиться причиной поляризации генерируемого излучения.

Влияние термических искажений существенно зависит от геометрии активного элемента. Термические искажения для плоскополяризованного излучения минимальны образцах прямоугольного сечения, так как при такой геометрии образца в нем возникают преимущественно линейные градиенты температуры.

В связи с этим в мощных усилителях и генераторах на стеклах целесообразно использовать активные тела прямоугольного сечения, где наведенное двойное лучепреломление сказывается меньше.