Оптические материалы4
.pdfОптические поликристаллы (оптическая керамика)
Керамика КО6 (CdTe) имеет наиболее широкий и длинноволновый диапазон пропускания λ= 0,9…29 мкм и в этой области не имеет полос поглощения. Но максимальная прозрачность КО6 в указанной области 60…65% (т.е. несколько ниже, чем у других керамик – для них 80…90%) в основном изза френелевских потерь
n=2,67 α=0,28 см-1 при λ=10,6 мкм.
Снижение коэффициента отражения достигается нанесением на поверхность КО6 покрытия из полистирола.
На воздухе при температуре выше 350 С окисляется с образованием тонких поверхностных пленок. В вакууме начинает испаряться при температуре выше 450 С. В воде не растворяется, слабо подвержена действию органических жидкостей и кислот. Применяется в качестве подложек для интерференционных светофильтров, в ИК-спектрофотометрах, окнах CO2-лазеров со средней мощностью. Приемники излучения с окнами из КО6 выдерживают охлаждение до температуры жидкого азота.
Оптические поликристаллы (оптическая керамика)
Электрооптическая керамика КЭО10 - Pb0,88La0,08(Zr0,65Ti0,35)O3 - поликристаллический материал на основе цирконататитаната свинца и лантана. пропускание без учета потерь на отражение на 0,63 мкм составляет 60 65% при толщине образца 0,8 мм. Линейный электрооптический коэффициент 36 10-10 см/В. Устойчива к действию воды и щелочей, слегка растворима в минеральных кислотах, стоика в окислительной газовой среде вплоть до температуры плавления 1300 С. При 1,33 Па и температурах выше 900 С чернеет и становится непрозрачным из-за восстановления катиона Ti4+ до трехвалентного состояния. Материал используется в устройствах записи информации и модуляторах света.
Оптическая люминесцентная керамика КОЛ1 (ZnS, содержащий до 1% NaCl). Имеет синее свечение и возбуждается ультрафиолетовыми, рентгеновскими и электродными лучами.
Оптические поликристаллы (оптическая керамика)
Оптическая керамика КО11 представляет собой светорассеивающую среду. Исходный материал – MgF2 . Рассеивает свет, обладает высокой термостойкостью (применяется до 800 С) благодаря высокой теплопроводности и очень устойчива к воздействию фторирующих соединений как в газовой фазе, так и в жидкой.
Оптические материалы для активных элементов твердотельных лазеров
Активные элементы твердотельных лазеров должны обладать комплексом свойств, обеспечивающих длительный ресурс работы, высокую мощность или энергию генерации и направленность лазерного излучения. Необходимость выполнения таких условий накладывает на материалы, из которых изготовляют активные элементы, ряд требований:
оптическая однородность материала; отсутствие оптических искажений (стабильность материала) в процессе генерации;
возможность варьирования в широких пределах термооптических характеристик материала путем изменения его состава для их сочетания с другими тепловыми характеристиками; высокая теплопроводность материала;
высокая оптическая прочность и фотохимическая стойкость, обеспечивающие надежность работы и длительный ресурс при большой мощности (энергии) генерации; слабое поглощение излучения в материале на рабочей длине волны;
технологичность изготовления материала и его обработки; возможность получения заготовок материала больших размеров; отсутствие токсичности материала и продуктов его обработки; невысокая стоимость материала и исходного сырья для его изготовления.
Оптические материалы для активных элементов твердотельных лазеров
Для активных элементов твердотельных лазеров широкое распространение получили кристаллические и аморфные конденсированные среды, играющие роль матриц, с введенными в них добавками (чаще всего в виде ионов лантаноидов, но не обязательно), выполняющих функции активаторов:
неодимовые стекла, рубин Al2O3:Cr3+ (для импульсного режима работы),
алюмоиттриевый гранат с неодимом Y3Al5O12:Nd3+ (для импульсного и непрерывного режимов работы).
В последнее время разработаны и используются перспективные материалы: ортоалюминат иттрия с неодимом YAlO3:Nd3+ ,
гадолиний-скандий-галлиевый гранат Gd3Sc2Ga3O12:Nd3+ или :Cr3+ и другие.
Оптические материалы для активных элементов твердотельных лазеров
Неодимовые стекла
Получили широкое распространение в качестве активных сред импульсных твердотельных лазеров с длиной волны генерации ~1,06 мкм. Эти стекла имеют характерную сиреневую окраску. Ионы Nd3+ вводятся с массовым содержанием 0,5 8% .
Отечественные неодимовые стекла подразделяются на силикатные (марки ГЛС1 ГЛС14) и фосфатные (марки ГЛС21 ГЛС26). Силикатные стекла обладают большей термостойкостью и большей длительностью люминесценции по сравнению с фосфатными. Фосфатные стекла имеют более высокие сечения стимулированного излучения ( = (3 3,5) 10-20 см2) (и более высокий коэффициент усиления) и меньшие значения термооптических постоянных по сравнению с силикатными стеклами. Фосфатные стекла позволили получить угловую расходимость излучения на уровне 2 3/ (у силикатных – 20/). Длина волны лазерного излучения неодимовых стекол: силикатных ~1,06 мкм, фосфатных ~1,054 мкм. Но малое значение теплопроводности неодимовых стекол не позволяют использовать их в непрерывном режиме генерации и ограничивает их использование в импульснопериодическом режиме.
Неодимовое стекло делится на категории и классы по трем показателям качества:
•Показателю неактивного поглощения K при длине волны генерации 1,06 мкм.
•Пузырности.
•Включениям.
Двойное лучепреломление контролируется в направлении наибольшего размера и не должно превышать 3 6 нм/см. Порог объемного разрушения часто используемого фосфатного стекла ГЛС22 ~2 ГВт/см2 (в режиме гигантского импульса длительностью 10 нс).
Неодимовые стекла обладают достаточно широкой неоднородно уширенной линией люминесценции (~200 см-1).
Рубин (Al2O3:Cr3+ )
Степень окраски активного элемента увеличивается от светлорозового до темно-вишневого при росте содержания хрома. Отметим, что при содержании хрома свыше 8% рубин приобретает зеленую окраску. В рубиновых лазерах используют активные элементы розового цвета, создающие генерацию на длине волны
0,6943 мкм.
Маркировки рубиновых элементов:
•Р – элемент без наконечников.
•РЛ – элемент с лейкосапфировыми наконечниками.
•РЛС – элемент с наконечниками со скошенным торцом.
•РЛ1Б – элемент с одним скосом под углом Брюстера.
•РЛ2Б – элемент с двумя скошенными под углом Брюстера торцами.
•Обычно используются стержни рубина, ось которых ориентирована по отношению к оптической оси под углом 60 или 90 . В этих кристаллах генерируемое излучение имеет линейную поляризацию с электрическим вектором, перпендикулярным к плоскости, в которой лежит оптическая ось.
Иттрий-алюминиевый гранат с неодимом (Y3Al5O12:Nd3+ )
Представляет собой изотропный кристалл, в котором часть ионов иттрия замещена трехвалентными ионами неодима. В настоящее время самый распространенный активный материал твердотельных лазеров. Прозрачен для области 0,24 5,5 мкм. Имеет довольно высокий показатель преломления 1,83 (на длине волны 1,06 мкм).
•Преимущества ИАГ по сравнению со стеклом:
•высокая механическая прочность и твердость;
•хорошая теплопроводность;
•отсутствует необходимость в компенсации заряда (поскольку ион Y3+ заменяется ионом Nd3+ ).
•Порог генерации для ИАГ гораздо ниже, чем для рубина (из-за четырехуровневой схемы атомных переходов). Хорошие теплофизические свойства позволяют лазерам на ИАГ работать как в импульсно-периодическом режиме с высокими частотами повторения, так и в непрерывном режиме. Фотохимическая устойчивость высокая: после 600 тыс. вспышек не наблюдается падения КПД генерации.
Длина волны излучения 1,064 мкм.
Алюминат иттрия (YAlO3:Nd3+ )
В настоящее время он занимает второе место по популярности после ИАГ. Чистый АИ представляет собой анизотропный прозрачный монокристалл (область прозрачности 0,3 5,8 мкм).
Кристаллы АИ имеют одно важное преимущество: они существенно технологичнее (т.к. температура плавления 1870 С на 100 ниже, чем у ИАГ). Поэтому активные элементы из АИ часто заменяют более дорогие кристаллы ИАГ в импульсных и импульснопериодических лазерах. Кроме того, анизотропия АИ позволяет генерировать хорошо линейно поляризованное лазерное излучение. Спектр люминесценции шире, чем у ИАГ и примерно такой же, как у рубина – 10 см-1. Твердость по Моосу – 8,5. Имеет очень высокий средний показатель преломления 1,97 (на своей рабочей длине волны 1,0795 мкм). Изменение ориентации оптической оси несколько меняет оптически характеристики (например, для получения несколько короче длины волны или избавиться от линейной поляризации излучения).