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.
