Навигация
2.2 Активные вещества
В настоящее время в качестве активных веществ лазеров используются твердые тела, полупроводники, жидкости, газы. В соответствии с этим различают твердотельные лазеры, т. е. лазеры, у которых в качестве активного вещества используются диэлектрические кристаллы или стекла с примесью активных частиц; жидкостные лазеры, у которых активное вещество находится в жидком состоянии; полупроводниковые лазеры и газовые лазеры, активными частицами которых могут быть атомы, ионы или молекулы собственно газов или пары металлов.
Активное вещество твердотельных лазеров состоит из двух основных компонентов: матрицы и активатора. Энергетические уровни атомов в кристалле отличаются от уровней свободных атомов, так как на атом в кристалле воздействуют электрические и магнитные поля окружающих атомов. Это приводит к расщеплению уровней, появлению подуровней и, в конечном счете, энергетических полос. Наибольшее расширение испытывают уровни внешних электронов, так как внутренние электроны экранируются от воздействия полей соседних атомов внешними электронными оболочками. В качестве матрицы используются диэлектрические кристаллы, запрещенная зона которых обычно составляет несколько электрон-вольт. Поэтому чистая кристаллическая основа является совершенно бесцветной и прозрачной средой. Введение в кристаллическую основу ионов активатора приводит к появлению в активированном кристалле областей селективного поглощения и спонтанной люминесценции (центров окраски). Ионы активатора замещают ионы основы, поэтому радиус иона активатора должен практически совпадать с радиусом иона матрицы. Чем точнее это геометрическое соответствие, тем более высокие концентрации ионов активатора в основе могут быть достигнуты без заметных оптических дефектов. Атом активатора в кристаллической основе должен иметь метастабильный уровень с большим временем жизни и узкой линией люминесценции (шириной не более нескольких см-1). Чем больше время жизни верхнего уровня лазерного перехода и чем меньше ширина его линии, тем меньше мощность накачки, при которой достигается инверсная населенность. Ширина линий люминесценции и их число должны быть минимальными также и для увеличения квантового выхода люминесценции, т. е. отношения числа фотонов, поглощенных активным веществом на частоте накачки, к числу фотонов, излучаемых данным активным веществом на частоте лазерного перехода. Квантовый выход характеризует, в конечном счете, эффективность преобразования поглощенного некогерентного из лучения в когерентное. Перечисленным выше требованиям отвечают актиноидные (U —уран), редкоземельные (Nd, Pr, Sm, Eu, Tb, Dy, Но, Er, Tu, Yb) и некоторые переходные (Сг, Со, Ni) металлы. Малая ширина спектральных линий у этих атомов объясняется тем, что лазерные переходы у них соответствуют переходам электронов в глубоко лежащих слоях, хорошо экранированных от воздействия внешнего поля кристаллической решетки.
Свойства активного вещества определяются не только активатором, но и матрицей. Матрица должна быть прозрачной, т. е. не иметь ни собственного, ни примесного поглощения на частоте генерации, иметь высокую оптическую и механическую однородность, теплопроводность, твердость, термическую и химическую стойкость. В качестве матриц активных веществ широко используются:
— простые оксидные кристаллы с упорядоченной структурой (рубин А12О3: Сг3+; иттрий-алюминиевый гранат, активированный неодимом, Y3Al5O12: Nd3+; вольфрамат кальция, активированный неодимом, и др.);
— смешанные фторидные кристаллы с разупорядоченной структурой (CaF2 — SrF2:Nd13+; BaF2 — GdF3: Nd3+ и др.);
— оксидные лазерные кристаллы с разупорядоченной структурой (Lr02 — Y203: Nd3+; Na5N (WO4): Nd3+ и др.);
— лазерные стекла.
В лазерные стекла ионы активатора входят не как ионы, изоморфно замещающие катионы решетки, а как компоненты стекла. Стекла имеют несомненные преимущества перед кристаллическими основами. Они изготовляются из дешевого сырья, просты в производстве и могут производиться массово с заданными и воспроизводимыми свойствами. Из стекол просто изготовить изделия любых размеров и формы при сохранении высокой однородности состава и изотропности свойств. Одним из самых важных их преимуществ является возможность введения активатора в практически любых концентрациях. Так, концентрация неодима в стекле достигает 3—4%, в то время как концентрация хрома в рубине не должна превышать сотых долей процента.
Рабочие схемы активных веществ твердотельных лазеров подразделяются на трех- и четырехуровневые. По какой из схем работает данный активный элемент, судят по разности энергий между основным и нижним рабочими уровнями. Чем больше эта разность, тем при более высоких температурах возможна эффективная генерация. Так, например, у иона Сг3+ основное состояние характеризуется двумя подуровнями, расстояние между которыми составляет 0,38 см-1. При такой разности энергий даже при температуре жидкого гелия (~4К) заселенность верхнего подуровня только на ~13°/0 меньше нижнего, т. е. они заселены одинаково и, следовательно, рубин — активное вещество с трехуровневой схемой при любой температуре. У иона неодима же нижний лазерный уровень для излучения при 
=1,06 мкм расположен на 2000 см-1 выше основного. Даже при комнатной температуре на нижнем уровне ионов неодима в 
1,4 -104 раз меньше, чем на основном, и активные элементы, у которых в качестве активатора используется неодим, работают по четырехуровневой схеме.
Полупроводниковые активные вещества отличаются тем, что в них используются оптические переходы между состояниями в электронных энергетических зонах, т. е. в оптических переходах участвуют свободные носители тока (электроны и дырки). Кроме того, в полупроводниках излучательные переходы могут возникать также за счет примесных центров и экситонов. (Экситоном называется элементарное электрически нейтральное возбуждение, имеющее характер квазичастицы в полупроводниках и диэлектриках). Если энергия возбуждения меньше ширины запрещенной зоны, то при переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости может образоваться пара электрон — дырка. Электрон и дырка, образующие такую пару, не могут перемещаться независимо, а находятся в связанном состоянии электрически нейтральной квазичастицы — экситона. Экситоны имеют зонный энергетический спектр, целый спин. Им приписывают квантовые числа.
Наиболее простыми и наглядными являются переходы «зона — зона», когда переход из зоны проводимости в валентную зону происходит с излучением фотона, а обратный — с поглощением.
Под воздействием накачки электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости, и образуется пара электрон — дырка. Как и любая система, электрон и дырка стремятся занять положение, соответствующее минимальной энергии, поэтому электрон стремится занять разрешенное положение возле дна зоны проводимости, а дырка — возле потолка валентной зоны. Практически у всех полупроводников состояния у дна зоны проводимости являются метастабильными, и в этом отношении они могут считаться четырехуровневыми системами.
Для полупроводников, легированных водородоподобными атомами (например, атомом цинка в арсениде галлия), характерны переходы «зона — примесь». Атомы примеси быстро захватывают избыточные носители из близкой к ним зоны, так что скорость рекомбинации через примесь сравнима со скоростью межзонной рекомбинации, и переход осуществляется между уровнем примеси и зоной собственно полупроводника. В случае сильного легирования уровни уширяются, энергия ионизации уменьшается и в пределе уровни полностью сливаются с собственной зоной. Ширина запрещенной зоны при этом уменьшается, а длина волны генерируемого излучения увеличивается.
Излучательные переходы возможны и в донорноакцепторных парах, т. е. возможны переходы между водородоподобными примесями у обоих краев запрещенной зоны. Такие переходы происходят с большим квантовым выходом, но они достаточно ярко выражены только в слаболегированных полупроводниках.
К полупроводниковым лазерам относят обычно и лазеры на твердых растворах родственных соединений, часто называемых лазерами на основе гетеропереходов. Эти растворы интересны, прежде всего, тем, что при смешивании соединений с одинаковым типом решетки можно получить непрерывный ряд твердых растворов с практически непрерывным изменением ширины запрещенной зоны, а, следовательно, и длины волны лазерного излучения.
В жидкостных лазерах в качестве активного вещества используют:
— растворы дикстонатов редкоземельных элементов (европия, тербия или неодима) в органических красителях;
— растворы неорганических соединений редкоземельных элементов;
— красители — сложные органические соединения, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В жидкостных лазерах с редкоземельными элементами лазерное излучение возникает на переходах с метастабильных уровней ионов этих элементов. Возбуждение активного иона в металлоорганичеокой жидкости происходит в результате внутримолекулярной передачи энергии от органической части комплекса к иону.
В неорганические растворители в настоящее время вводят только один активный элемент — неодим. Генерация идет по четырехуровневой схеме. Излучение накачки поглощается собственными полосами поглощения иона неодима. В качестве растворителя часто используют двухкомпонентные смеси оксихлоридов селена (SеОС12) и фосфора (РОС13) с галогенидами элементов III, IV и V групп.
Наиболее эффективными лазерными материалами на органических красителях являются кумарины, фталимиды, производные окзасола и диозола, ксантеновые, полиметиновые и оксазиновые красители. Активным веществом в них выступает краситель, а матрицей — растворитель. Спектр генерации органических красителей без селекции типов колебаний обычно составляет 5—20 нм. Введением селективных элементов можно сузить спектр лазерного излучения до 0,05—1 нм без существенного уменьшения выходной мощности и осуществлять перестройку длины волны излучения в одном и том же растворе в пределах десятков нанометров. Перестройка в более широком диапазоне возможна путем изменения концентрации и состава раствора красителя.
В жидких лазерных средах может быть достигнута большая концентрация активных частиц, что позволяет получать, так же как и в лазерах на твердом теле, большие энергии и мощности излучения с единицы объема активного вещества. В жидкостях отсутствуют постоянные напряжения, структурные неоднородности и включения, вследствие чего их оптические характеристики по объему изотропны и постоянны, а это способствует получению излучения с высокой степенью пространственной когерентности и направленности. В жидкостных лазерах не возникают необратимые разрушения активного вещества при больших плотностях энергии.
К недостаткам жидких лазерных материалов следует отнести высокие значения температурных изменений коэффициента преломления, что приводит к появлению значительных оптических неоднородностей и к ухудшению генерационных характеристик. При больших плотностях лазерного излучения необходимо считаться также с нелинейными эффектами.
Газовые активные среды лазеров существенно отличаются от описанных выше тем, что позволяют генерировать излучение в широком диапазоне длин волн (от ваккумной ультрафиолетовой области до инфракрасного, практически субмиллиметрового, диапазона) в импульсном и непрерывном режимах. Газообразность активной среды обусловливает ряд специфических особенностей газовых лазеров. Им свойственна высокая монохроматичность и направленность излучения, поскольку газы имеют существенно меньшую плотность и большую однородность.
При малой плотности газа уширение линий люминесценции происходит только вследствие эффекта Доплера и существенно меньше, чем в конденсированных средах. Это позволяет получать высокомонохроматичное излучение.
Малая плотность газа не позволяет получить такую концентрацию активных частиц, как у конденсированных сред, и, следовательно, удельный энергосъем у газов существенно меньше, это утверждение справедливо для отпаянных лазеров; использование газовых лазеров высокого давления, применение прокачки газа существенно повысили мощность излучения Лазеров.
Кроме того, газовые среды возбуждаются вследствие разнообразных процессов — соударений в электрическом разряде, химических реакций, фотодиссоциации, газодинамических процессов, оптической накачки.
В газовых лазерах в качестве активного вещества используются:
— нейтральные атомы газов (Н, Не, О, Ne и др.), металлов (пары меди, золота, тулия, иттербия и др.);
— ионизированные атомы аргона (Аг), ксенона (Хе), азота (N), свинца (РЬ) и др.;
— двухатомные — СО (угарный газ), многоатомные — СО2 (углекислый газ), Н2О (вода) и молекулы других газов.
В активных веществах на нейтральных и ионизированных атомах для получения лазерного излучения используются переходы между электронными уровнями, а в молекулярных лазерах — между электронными, электронно-колебательными, колебательными, колебательно-вращательными и чисто вращательными уровнями. Генерирование лазерного излучения происходит в большинстве случаев по многоуровневой схеме.
Рис.1 Четырехуровневая система накачки в Гелий-Неоновом лазере.
Похожие работы
... материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейрном производстве. Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и ...
... В первую очередь это оптоэлектроника.(размеры структур до 100 нм - доли длин световых волн). Широким фронтом ведутся работы по использованию длинных молекул в качестве элементов микросхем. Развитие лазерных технологий. Для физиков лазер дал жизнь нелинейной оптике, охватывающей исследования распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом ...
... группы, определяющие: качество печати; скорость печати; удобство в эксплуатации; экономичность работы; дополнительные возможности. Часть III Физические процессы [1] [2] [3] В основе работы, как копировального аппарата, так и лазерного принтера лежит процесс сухой ксерографии[1] (лат. xeros - сухой и graphos - писать). В свою очередь он базируется на электростатической фотографии. В ...
... не только уровень совершенства того или иного технического устройства, но и прогресс, а также темпы развития той или иной отрасли современной экономики. На первый взгляд может показаться лишним знание концепций развития микроэлектроники, особенно для специалистов нетехнических направлений и, в частности, для будущих экономистов. Однако настоящая экономика прежде всего связана с жизнью и в первую ...
0 комментариев