Активные элементы оптических квантовых генераторов

 

Рубин — это так называемый драгоценный камень красного или розового цвета, очень твердый, тугоплавкий, химически инертный, с высокими оптиче­скими свойствами (показателем преломления). Природные рубины, как пра­вило, невелики и могут быть различной формы и размеров.

В радиоэлектронике в качестве активного тела в оптических квантовых генераторах стимулированного излучения (лазерах) применяют искусственные рубины, представляющие собой доста­точно большие монокристаллы А12О3, в которых часть ионов алю­миния Аl3+ замещена ионами хрома Сг3+. Количеством хрома оп­ределяется цвет рубина. Розовый рубин содержит около 0,05 мас.%, красный—0,5 мас.% хрома. Для активных элемен­тов оптических квантовых генераторов применяют розовый рубин. Кристалл рубина обладает оптической анизотропией и имеет поч­ти кубическую симметрию, несколько искаженную вдоль одной из пространственных диагоналей, в результате чего истинная симметрия кристалла — ромбоэдрическая.

Искусственные кристаллы рубина обычно выращивают в пе­чах по методу Вернейля. По этому методу тщательно размельченный порошок окиси алюми­ния с добавкой Сг2О3 медленно падает в пламя водородно-кислородной горелки. Отдельные частички порошка, проходя че­рез пламя, расплавляются и за­тем кристаллизуются на затра­вочном кристалле, помещенном вне пламени. Полученную заго­товку отжигают, а потом обра­батывают, придавая ей необхо­димую форму и размеры. Высо­кокачественные кристаллы ру­бина могут быть получены и методом вытягивания из рас­плава.

Рубин является наиболее ос­военным в лазерной технике монокристаллом, пригодным для возбуждения стимулированного когерентного излучения. Вообще для этих целей могут быть использованы многие кристаллы, отображающие законы строгой повторяемости и порядка в про­странственном расположении частиц вещества с включением в их решетку активных атомов или ионов. Такие ионы могут быть получены у элементов с недостроенными внутренними элек­тронными оболочками, например элементы группы железа имеют недостроенную 3d-оболочку, лантаноиды — 4f-оболочку, актиноиды — 5f-оболочку.

Эти ионы и являются собственно активными, в то время как кристаллическая решетка основного материала выполняет роль матрицы. Вследствие экранирующего действия внешних электро­нов поле кристаллической решетки оказывает незначительное воз­действие на уровни энергии активных ионов, в результате чего такие кристаллы обладают узкими и сильными линиями люми­несценции в спектре излучения.

Кроме рубина в качестве материалов рабочих элементов лазера используют некоторые кристаллы, приведенные в таблице 2.4, а также различные стекла с присадками соответствующих активаторов. Из приведенных материалов наиболее перспективным является иттрийалюминиевый гранат (ИАГ), легированный неодимом. У него низкая пороговая энергия возбуждения при комнатной температуре, высокая механическая прочность и хорошая теплопроводность, что обеспечивает его надежность в лазерах, работающих в непрерывном и высокочастотном режимах.

Следует отметить, что создание оптически совершенных кристаллов с однородным распределением примесей как по сечению, так и по длине кристалла представляет значительную технологическую трудность и стоимость их довольно высока.