ЛАЗЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, вещества, используемые в качестве активных сред лазеров. Осн. лазерные материалы - диэлектрич. кристаллы и стекла, полупроводниковые кристаллы, газы, неорг. жидкости и растворы красителей.
Диэлектрич. кристаллы и стекла - активные среды твердотельных лазеров. Излучение в них генерируется в результате переходов между энергетич. уровнями, как правило, примесных активных ионов (ионы РЗЭ и переходных металлов; чаще всего Nd3+ ) и т. наз. центров окраски (напр., F - центры в кристаллах некоторых фторидов). Среди наиб. известных лазерных кристаллов Y3Al5O12-Nd3+, Y3Al5O12-Еr3+, YAlO3-Nd3+, KGd(WO4)2-Nd3+, LiYF4-Nd3+, ВeАl2O4-Сr3+, Аl2O3-Сr3+, Cd3Se2Ga3O12-Cr3+-Nd3+. Кристаллы Y3Al5O12-Nd3+ по совокупности эксплуатац. свойств превосходят др. неодимовые лазерные материалы
Среди стекол широкое практич. применение нашли многокомпонентные стекла на силикатной и фосфатной основе, содержащие ионы Nd3+ . Концентрация активных ионов в кристаллах и стеклах обычно составляет 1-2% по массе, что соответствует наличию 1020 частиц в 1 см3; в некоторых матрицах (напр., кристаллы NdxLa1-xР5О14, неодимовые
фосфатные стекла) концентрация активных ионов может достигать 10-15% по массе, т.е. более 1021 частиц в 1 см3. Столь высокая плотность активных частиц позволяет получать значит. мощность генерации с единичного объема лазерные материалы
Кристаллы для лазеров выращивают преим. путем направленной кристаллизации из расплавов (напр., по методу Чохральского); стекла варят в керамич. и платиновых сосудах. Кол-во посторонних примесей в исходных веществах не должно превышать 10-3-10-4 % по массе.
На диэлектрич. кристаллах и стеклах созданы лазеры, работающие в разл. режимах и излучающие преим. в диапазоне длин волн 1-3 мкм. Их мощности генерации достигают 1 кВт в непрерывном режиме (кристаллы Y3Al5O12-Nd3+), 1013 Вт в импульсном режиме при длительности импульса 1 нc (стекло с Nd3+ ); кпд 1-5%. Осн. недостатки этого типа лазерные материалы - сложность выращивания кристаллов больших размеров и высокого оптич. качества, низкая теплопроводность и невысокие мех. свойства стекол, что препятствует созданию лазеров на стекле, работающих в непрерывном или периодич. режиме при большой средней мощности накачки.
Полупроводниковые кристаллы - активные среды полупроводниковых лазеров. Излучение в них генерируется в результате переходов между энергетич. уровнями зоны проводимости и валентной зоны. Используют полупроводники типа AIIBVI, AIIIBV, AIVBVI. Активные элементы изготовляют из монокристаллощ (напр., CdS, GaAs, InAs, PbS), содержащих в своем объеме области, для которых характерен электронно-дырочный переход (р-n-переход), и из кристаллич. гетероструктур, образованных чередованием кристаллич. слоев, различающихся по хим. составу, но имеющих одинаковый период кристаллич. решетки. наиб. распространены гетероструктуры, образованные слоями полупроводников типа АIIIВV на основе арсенидов, фосфидов, антимонидов Ga и Аl и их твердых растворов. Гетероструктуры получают также на основе многокомпонентных (тройных и более) твердых растворов замещения (напр., AlxGa1-xAs), в которых при изменении состава в широких пределах период решетки не меняется. Полупроводниковые монокристаллы получают из особо чистых исходных веществ кристаллизацией из расплавов (метод Чохральского, горизонтально направленная или зонная кристаллизация в контейнере, бестигельная зонная плавка) и эпитаксиальным выращиванием тонких кристаллич. слоев при кристаллизации из газовой фазы или расплавов твердых растворов. Необходимые характеристики достигаются введением примесей в расплав или методом ионного внедрения примесных атомов. В качестве легирующих примесей используют, например, элементы II (Zn, Cd, Mg; акцепторы электронов), IV, VI (Sn, Те, Se, S; доноры) групп. Благодаря разнообразию полупроводниковых кристаллов созданы лазеры, излучающие в диапазоне длин волн 0,3-30 мкм, обладающие малой инерционностью (~10-9 с) и высоким кпд (до 50%), работающие как в импульсном, так и в непрерывном режиме (мощности 105 Вт при длительности импульса 3 нc и 10 Вт соответственно). Лучевая прочность полупроводниковых лазерные материалы ограничивает выходную мощность лазеров.
Газы используются как активные среды разл. газовых лазеров. Активными частицами в них м. б. нейтральные атомы (Не, Сu, I), устойчивые молекулы (СО2, СО, N2, HF), эксимерные молекулы (Аr2, Kr2, ArF, KrF), ионы инертных газов (Аr2+ , Аr3+ , Кr2+, Kr3+ Ne2+ , Ne3+ ), пары металлов (Cu+, Cd2+). Малая плотность газов ограничивает плотность активных частиц величиной 1015-1016 см+3, в связи с чем энергосъем с единичного объема газовой активной среды невелик.
В одних случаях активной средой являются исходные газы или газовые смеси (напр., СО; смесь He-Ne, в которой активными частицами служат атомы Ne, смеси СО2 с N2 и парами Н2О или Не, в которых активные частицы - молекулы СО2), в других - приготовление активной среды происходит в процессе работы лазера, например при ионизации нейтральных атомов инертных газов (лазеры на ионизир. газах), образовании
возбужденных атомов, радикалов и молекул в результате инициир. хим. реакций (лазеры химические), образовании эксимерных молекул (эксимерные лазеры), испарении металлов (лазеры на парах металлов).
Вследствие разнообразия активных газовых сред созданы лазеры, перекрывающие диапазон длин волн от вакуумной УФ области до субмиллиметровых. Мощности генерации составляют 105 Вт в непрерывном режиме (газодинамич. СО2 - лазер) и 1011 Вт в импульсном режиме при длительности импульса 20 нc (хим. HF - лазер). Лазеры на нейтральных атомах, ионизованных газах и парах металлов имеют кпд ~0,1%, кпд газодинамич. лазеров ~1%, кпд мол. лазеров может достигать 25%. Благодаря большой однородности активных газовых сред расходимость лазерного излучения очень незначительна и близка к дифракц. пределу.
Неорг. жидкости и растворы краентелей - активные среды жидкостных лазеров. наиб. часто применяют активные неорг. жидкости на основе POCl3-SnCl4, SeOCl2 и SOCl2 с примесью ионов Nd3+. Генерационными переходами в них являются переходы между уровнями энергии ионов Nd3+ (1020 частиц в 1 см3) и молекулами красителей. В лазерах на POQ3-SnCl4 (или ZrCl4)-Nd3+ достигнута импульсная мощность генерации 1010 Вт при длительности импульса 20 не, кпд - неск. %.
В лазерах на красителях применяют ксантеновые, метиновые, оксазиновые красители, производные оксазола и диазола, кумарины и фталимиды. Р-рители - спирты, глицерин, H2SO4, вода и др. В пределах широких полос излучения красителей возможна плавная перестройка частоты генерации. Лазеры на красителях излучают в диапазоне длин волн 0,34-1,1 мкм; при лазерной накачке в непрерывном режиме генерации достигнута выходная мощность 20 Вт, в импульсном режиме - 108 Вт при длительности импульса 10 нc. Потенциальное преимущество жидкостей перед др. лазерные материалы - сочетание высокой плотности активных частиц и высокой оптич. однородности в больших объемах.
Лит.: Справочник по лазерам, под ред. А. М. Прохорова, пер. с англ., т. 1-2, М., 1978; Елисеев П. Г., в сб.: Итоги науки и техники, сер. Радиотехника, т. 14, ч. I, М., 1978; Алексеев Н. Е., Гапонцев В. И., Жаботинский М. Е., Лазерные фосфатные стекла, М., 1980; Физика и спектроскопия лазерных кристаллов, М., 1986; Аникеев Ю. Г., Жаботинский М. Е., Кравченко В. Б., Лазеры на неорганических жидкостях, М., 1986; Bennet W. R., The physics of gas lasers, N. Y., 1977. Б. И. Денкер.
