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 звʼязку з чим енерго­зніма­н­ня з одинич. обʼєму 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 обʼємах. 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).

Завантажити статтю