Лазерні матеріали

ЛА́ЗЕРНІ МАТЕРІА́ЛИ – речовини, які використовуються як активні середовища лазерів. Л. м. є актив. середовищем, ан­самблем атомів, у якому можна створити інверсію заселеності. Атоми актив. середовища мають певний набір енергет. рівнів, але тільки деякі з них можуть взяти участь у лазер. генеруванні. У більшості випадків реалізуються т. зв. три- або чотирирівневі схеми генерування. Осн. Л. м.: діелектр. кристали та стекла, напівпровідник. кри­стали, гази, неорган. рідини, розчини фарбників і нанокерам. матеріали. Діелектр. кри­стали та стекла – активні середовища твердотіл. лазерів. 1964 вперше здійснено генерування на найрозповсюдженішо­му донині лазер. кристалі – ітрій-алюмінієвому гранаті Y₃Al₅O₁₂ з домішкою Nd³⁺. Наприкінці 1960-х – на поч. 70-х рр. кількість Л. м. з актив. рідкісноземел. іонами перевищувала 150, а генеруван­ня здійснювалося на різних довж. хвиль діапазону 0,5–2,7 мкм. Станом на 1975 було вже відомо майже 200 діелектр. кристалів з домішкою іонів перехід. елементів, а 2007 налічувалося 345. Лазерне генерування виконано за допомогою багатьох сотень актив. Л. м., але на практиці застосовують лише такі, які забезпечують: коефіцієнт корис. дії при накачуванні газорозряд. лампами не менше ніж 1 % для режиму вільного генерування та 0,2 % для моноімпульс. режиму; незалежність енергет., кутових і спектрал. ха­рактеристик в інтервалі кількох десятків градусів; стабільність генерац. характеристик при три­валій експлуатації, зокрема при високих інтенсивностях випромінювання; довж. хвилі генерування, яка відповідає вікнам прозорості атмосфери, діапазо­нам роботи чутливих приймачів випромінювання та елементів керування лазер. променем (мо­дулятори, перетворювачі частоти тощо). Л. м. повинні мати набір енергет. рівнів, що дозволяють ефективно сприймати енергію, що підводиться ззовні, та з можливо меншими втратами перетворювати її в електромагнітне випромінювання; високу оптичну однорідність для того, щоб запобігти втратам світла через розсіяння; високу теплопровідність і малий коефі­­цієнт терміч. розширення; стій­кість до різних фіз.-хім. дій, перепадів температури, вологості тощо; зберігати склад і властивості в процесі роботи. Тверді Л. м. мають вирізнятися високою міц­ністю, щоб витримувати без руй­нування мех. оброблення у про­цесі виготовлення з них актив. елементів. Знач. поширення на­були такі лазерні матриці, як гадоліній-скандій-галієвий гра­нат Gd₃Sc₂Al₃O₁₂, гадоліній-скан­дій-галієвий гранат Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂, калій-гадолінієвий вольфрамат KGd(WO₄)₂:Nd³⁺. Випромінюван­ня в них генерується в результа­ті переходів між енергет. рівнями. Серед найзастосовуваніших лазер. кристалів – Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺, Y₃Al₅O₁₂:Еr³⁺, YAlO₃:Nd³⁺, KGd(WO₄)₂: Nd³⁺, LiYF₄:Nd³⁺, ВeАl₂O₄:Сr³⁺, Аl₂O₃: Сr³⁺, Аl₂O₃:Ti³⁺, Cd₃Se₂Ga₃O₁₂:Cr³⁺: Nd³⁺. Кристали Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺ за сукупністю експлуатац. властивостей перевер­шують ін. неодим. Л. м. Серед стекол широке практичне застосування отримали багатокомпонентні стекла на силікат. і фосфат. основі, що містять іони Nd³⁺. Лазерні стекла мають внутр. невпорядк. структуру. Разом із склотвір. компонентами SiO₂, В₂О₃, P₂O₃, BeF і ін. в них містяться Na₂O, K₂O, Li₂O, MgO, СаО, BaO, Al₂O₃, La₂O₃, Sb₂O₃ і ін. сполуки. Актив. домішками най­­частіше слугують іони Nd³⁺, використовуються також Gd³⁺, Er³⁺, Ho³⁺, Yb³⁺. Концентрація Nd³⁺ у стеклах може досягати 6 %. 1996 у Лівермор. нац. лаб. (США) був відкритий новий клас лазер. середовищ для перенастроюваних твердотіл. лазерів діапазону 2–3 мкм – леговані перехід. металами напівпровідник. сполуки A^IIBV. Нині відомі такі напівпровідник. Л. м., як кристали типу A^IIBV^I (ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe) і A^IIIBV (GaPAs, GaAs, GaSb, InAs, InSb). У напівпровідник. кристалах випромінювання генерується в результаті переходів між енергет. рівнями зони провідності і валент. зони. Найкращими енергет. параметрами во­лодіють р-n переходи у кристалах GaAs. Переваги напівпровідник. Л. м. з р-n переходом: високий коефіцієнт корис. дії (до 50 %), малі розміри робочих елементів, велика потужність випромінювання (отримується з 1 см² випромінюючої поверхні). У газорозряд. лазерах, де збудження здійсню­єть­ся шляхом створення електр. розряду в газі, тиск коливається від сотих доль атмосфери до декількох атмосфер. Актив. час­тинками в них можуть бути нейтрал. атоми (Не, Сu, I), стійкі молекули (СО₂, СО, N₂, HF), ек­симерні молекули (Аr₂, Kr₂, ArF, KrF), іони інерт. газів (Аr²⁺ , Аr³⁺ , Кr²⁺, Kr³⁺ Ne²⁺ , Ne³⁺ ), пари металів (Cu⁺, Cd²⁺). Мала щільність газів обмежує щільність актив. частинок величиною 1015–1016 см³, у зв’язку з чим енергознімання з одинич. об’єму газового актив. середовища невелике. Рідкі Л. м. за оптич. однорідністю порівняно з газовими мають високу щільність актив. частинок. Крім того, рідина може цир­кулювати в резонаторі лазера, що забезпечує ефективне відведення тепла, що виділяється. Їхній недолік – низька стійкість до дії потуж. випромінювання оптич. накачування та лазер. випромінювання. У лазерах на фарбниках застосовують ксантен., метин., оксазин. фарбники, похідні оксазолу та діазолу, кумарини та фталіміди. Розчин­ники: спирти, гліцерин, H2SO4, вода тощо. У межах широких смуг випромінювання фарбників можлива плавна перебудова частоти генерування. Лазери на фарбниках випромінюють у діапазоні довжин хвиль 0,34–1,1 мкм. Потенційна перевага рідин перед ін. Л. м. – поєднання високої щільності актив. частинок і високої оптич. однорідності у великих об’ємах. Від 1965 на пострад. просторі розроблен­ням нових Л. м., вирощуванням лазер. монокристалів різними методами активно займаються у НТК «Інститут монокристалів» НАНУ (Харків), Інституті заг. фізики РАН, Інституті кристалографії РАН і НДІ «Полюс» (усі – Москва).

Літ.: L. D. DeLoach, R. H. Page, G. D. Wil­ke, S. A. Payne, W. F. Krupke. Transition metal-doped zinc chalcogenides: spectro­scopy and laser demonstration of a new class of gain media // IEEE J. Quantum Electronics. 1996. Vol. 32, № 6; Матковський О. А. Матеріали квантової електроніки. Л., 2000; Осико В. В. Ла­зер­ные материалы: Избр. тр. Москва, 2002; Handbook of Lasers and Optics. Dord­recht; Heidelberg; London; New York, 2012; НИИ «ПОЛЮС» имени М. Ф. Стельмаха – 50 лет. Москва, 2012; M. B. Kos­myna, B. P. Nazarenko, V. M. Puzikov, A. N. Shekhovtsov. Development of Growth Technologies for the Photonic Single Crystals by the Czochralski Method at Institute for Single Crystals, NAS of Ukraine // Acta Physica Polonica A. 2013. Vol. 123, № 2.

М. Б. Космина

Рекомендована література

1. L. D. DeLoach, R. H. Page, G. D. Wil­ke, S. A. Payne, W. F. Krupke. Transition metal-doped zinc chalcogenides: spectro­scopy and laser demonstration of a new class of gain media // IEEE J. Quantum Electronics. 1996. Vol. 32, № 6;
   Google Scholar Internet
2. Матковський О. А. Матеріали квантової електроніки. Л., 2000;
   Google Scholar Internet
3. Осико В. В. Ла­зер­ные материалы: Избр. тр. Москва, 2002;
   Google Scholar Internet
4. Handbook of Lasers and Optics. Dord­recht; Heidelberg; London; New York, 2012;
   Google Scholar Internet
5. НИИ «ПОЛЮС» имени М. Ф. Стельмаха – 50 лет. Москва, 2012;
   Google Scholar Internet
6. M. B. Kos­myna, B. P. Nazarenko, V. M. Puzikov, A. N. Shekhovtsov. Development of Growth Technologies for the Photonic Single Crystals by the Czochralski Method at Institute for Single Crystals, NAS of Ukraine // Acta Physica Polonica A. 2013. Vol. 123, № 2.
   Google Scholar Internet

завантажити статтю