2.7.7. Материалы для твердотельных лазеров.▲

Лазер (lightamplificationbystimulatedofradiation) представляет собой источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.

В основе принципа действия лазеров лежит открытое А.Эйнштейном явление вынужденного (стимулированного) излучения. Оно заключается в практически одновременном испускании согласованных по частоте и направлению электромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного поля.

Основными элементами лазеров на твердых диэлектриках являются активная среда (рабочее тело), оптический резонатор и система оптической накачки. Оптической средой служит кристаллическая или стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы люминесценции). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона; при этом матрица играет пассивную роль. Тип активного иона в основном определяет спектр излучения лазера.

Рабочее тело лазера изготавливают, как правило, в виде цилиндрического стержня. Торцевые поверхности которого обрабатываются с высокой степенью точности. Параллельность торцов выдерживается в пределах нескольких угловых секунд. Для возбуждения активных ионов используется оптическая накачка с помощью мощных газоразрядных ламп.

Несмотря на то, что матрица не участвует в процессах генерации колебаний, многие физические свойства активной среды определяются именно матрицей. Поэтому вещество кристаллической или стеклообразной основы должно удовлетворять ряду требований:

1. Неактивированная матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и для излучения активных ионов, вводимых в матрицу;

2. Вещество основы должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безызлучательных переходах;

3. Матрица должна быть оптически однородной. Механические напряжения, различные микровключения, пузырьки, границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается расходимость лазерного луча, ослабляется его интенсивность;

4. Материал основы должен обладать высокой нагревостойкостью и механической прочностью, чтобы выдерживать тепловые перегрузки при высокой плотности излучения накачки и генерации;

5. Матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетового излучения ламп накачки;

6. Материал должен быть технологичным, т.е. доступным для массового производства цилиндрических стержней необходимых размеров;

7. Структура кристаллической решетки матрицы должна допускать введение активатора в заданной концентрации.

Перечисленным требованиям в той или иной мере удовлетворяют высокотемпературные кислородные соединения (окислы, гранаты, вольфраматы,молибдаты, ниобаты и др.), фториды различных металлов, а также оксидные и фторбериллатные стекла. Основу последних составляет BeF₂.

Одним из наиболее освоенных материалов лазерной техники является рубин. Рубинами называют кристаллы -корунда (Al₂O₃), в которых часть ионов алюминия замещена ионами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина. Розовые рубины, использующиеся в лазерной технике, имеют концентрацию ионов хрома 1.6 ·10²⁵в одном кубическом метре.

Кристалл рубина обладает оптической анизотропией и имеет почти кубическую симметрию. Ценными качествами рубина являются высокие механическая прочность и теплопроводность.

Наряду с рубином важнейшим материалом лазерной техники является иттрий-алюминиевый гранат, в кристаллической решетке которого часть ионов иттрия замещена ионами неодима. Низкая пороговая энергия возбуждения при комнатной температуре, высокая механическая прочность и хорошая теплопроводность дают возможность применять этот материал в лазерах, работающих в непрерывном и высокочастотном режимах.

Лазеры находят применение в системах оптической локации, в телевидении, в голографии, информационно-измерительной технике, в медицине. С их помощью осуществляется дальняя космическая связь. Широкое распространение получила лазерная обработка оптически непрозрачных материалов: импульсная сварка, плавление, пайка, отжиг, сверление отверстий, резание и др.

Примеры решения задач по теме «Диэлектрические материалы».

Задача №1.

Конденсаторная керамика при 0˚С имеет проводимость γ₀=10^-11Сим/м. Какова температура окружающей среды при проводимости керамики γ₂=3.77·10^-24 Сим/см

и температурном коэффициенте сопротивления α=0.8?

Дано: Т1=0˚С γ1=10-11Сим/м γ2=3.77·10-24 Сим/см α=0.8 Т2- ?

Решение: Для решения данной задачи воспользуемся зависимостью удельного сопротивления диэлектрика от температуры: ρ=ρ0е-αТ, где е – экспонента (е≈2.7). Так как ρ=1/ γ. Имеем: 1/ γ=(1/ γ0·еαТ). γ0=γ1еαТ1и γ0=γ2еαТ2. Приравняв выражения по γ0, выведем формулу для искомой температуры: γ1/ γ2=[eαT2/eαT1]; Ln[γ1/ γ2]=αT2-αT1; T2=T1+(Ln[γ1/ γ2])/α. Приведём все величины к одинаковым размерным единицам: 3.77·10-24 Сим/см = 3.77·10-22 Сим/м. T2=(Ln[10-11/ (3.77·10-22)])/0.8=30˚С.

Задача №2.

Определить толщину диэлектрического материала hв электрическом поле, если пробивное напряжение между электродами конденсатораU_пр=35.1 кВ на рабочей частотеf=10 кГц. Вычисления проводить при заданной температуре Т=70˚С, тангенсе диэлектрических потерьtgδ₀=1·10^-2, диэлектрической проницаемостиε=3, коэффициенте теплоотдачи материалаσ=25 Вт/см²·град и при коэффициенте температурного сопротивления α_tgδ=0.05 1/K.

Дано: Uпр=35.1 кВ f=10 кГц Т=70˚С tgδ0=1·10-2 ε=3 σ=25 Вт/см2·град αtgδ=0.05 1/K T0=20˚C ε0=8.854·10-12Ф/м h- ?

Решение: Исходя из формулы пробивного напряжения диэлектриков имеем: и cучётом формулы для ёмкости С=εε0S/hи , где е – основание экспоненты (е≈2.7), получаем Отсюда выражаем . Приведём все величины к одинаковым размерным единицам: 25 Вт/см2·град = 25·104Вт/м2·град; 10 кГц = 10·103Гц; 35.1 кВ = 35.1·103 В. =0.2·10-3(м).