Материалы твердотельных лазеров

Диапазон работы современных твердотельных лазеров охватывает ультрафиолетовую, видимую и ближайшую инфракрасную области спектра.

Материалы, предназначенные для изготовления лазеров, должны иметь вполне определенный набор энергетических уровней. Наиболее удобно использовать четырехуровневую квантовую систему. Индуци­рованное излучение происхо­дит при переходах в активных атомах с уровня W₂ на уро­вень W₁. Накачка системы энергией обеспечивает пере­ход W₀®W₃. Время жизни электрона на энергетическом уровне W₃ должно быть ма­лым, а время жизни на уровне W₂ достаточно большим. Энергетический уровень W₁ должен быть, по возможнос­ти, минимальным.

Таким образом, достаточно жестко определенный набор разрешенных энергетических уровней определяет возможность применения материала для активных элементов лазеров. Важнейшими из этих требований являются:

1. Наличие интенсивных, резких линий флуоресценции с квантовым выходом, близким к единице.

2. Наличие достаточно широких полос активного поглощения в области поглощения источника накачки.

3. Отсутствие потерь на частоте рабочего перехода.

Особый интерес представляют ионные парамагнитные диэлектрики с шириной запрещенной зоны в несколько электрон-вольт, легированные ионами переходных металлов. Ионы переходных металлов являются активаторами матрицы. К матрице предъявляются следующие требования.

1. Матрица не должна иметь собственного или примесного поглощения в области лазерного излучения и поглощения в области излучения источника накачки.

2. Матрица должна обладать высокой теплопроводностью, фотохимической и механической стойкостью.

3. Структура матрицы должна допускать введение заданного активатора. То есть в случае кристаллических материалов ионные радиусы активаторов должны быть близки к ионным радиусам ионов матрицы. При необходимости должна иметься возможность компенсировать искажения решетки матрицы.

Перечисленным свойствам удовлетворяют матрицы на основе оксидов, фторидов различных элементов.