1.7. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КРИСТАЛЛАМ

Требования, предъявляемые к кристаллам, которые используются как активные лазерные среды, вытекают из условий работы этих кристаллов и особенностей технологии изготовления лазерных элементов.

1. Лазерный кристалл должен содержать ионы-активаторы, обладающие необходимой для генерации света системой энергетических уровней. Ионы-активаторы могут входить в кристалл в качестве

основных компонентов, как, например, в кристаллах или в качестве ионов замещения. Концентрация ионов замещения может быть очень большой, если происходит замещение ионов, близких по своим характеристикам, так что ион-активатор имеет неограниченную растворимость. Так, например, происходит при взаимном замещении ионов редких земель в где величина х может меняться от 0 до 1.

В ионных кристаллах предел растворимости в основном определяется двумя факторами: соотношением зарядов и ионных радиусов иона-активатора и замещаемого им иона или размера позиции, в которой размещается ион-активатор. Растворимость гетеровалентных примесей в ионных кристаллах невелика и обычно не превосходит нескольких десятых долей процента. Изовалентные примеси могут иметь заметную растворимость (до нескольких процентов), если относительная разница размеров не превосходит 10...15 %.

Если при введении примеси-активатора происходит замещение ионов, существенно отличающихся по химическим свойствам, то концентрация ионов-активаторов лимитируется пределом растворимости и может быть относительно небольшой. Например, концентрация в алюмо-иттриевом гранате не превосходит 1,1 % (ат.). Концентрация примеси-активатора обычно ниже предела растворимости, так как при приближении к пределу растворимости начинают сказываться парные взаимодействия между ионами-активаторами, что приводит к смещению и уширению линий люминесценции и полос поглощения. Так, при увеличении концентрации в рубине от

0,3 до 8 % (ат.) кристалл меняет окраску от бледно-розовой до грязно-зеленой и теряет свои генерационные свойства.

Вхождение примеси-активатора в кристалл не должно сопровождаться сильными искажениями его спектральных характеристик под влиянием поля матричного кристалла. Это особенно важно для ионов, оптические переходы которых формируются с участием кристаллического поля, как это происходит для переходных металлов. В этом случае искажение кристаллического поля присутствием дефектов структуры и полей упругих напряжений приводит к расщеплению и размытию энергетических уровней. В результате существенно возрастают требования к качеству кристалла, совершенству его структуры. Если оптические переходы происходят между уровнями, образованными самими ионами-активаторами, экранированными от воздействия кристаллического поля, как в ионах редких земель, то воздействие кристаллического поля и его искажений не столь велико, однако и в этом случае дефектность кристалла может приводить к заметному уширению линии люминесценции иона-активатора. Особенно сильно влияет на спектральные характеристики ионов-акти-ваторов присутствие локальных нескомпенсированных зарядов,

появление которых возможно прежде всего при гетеровалентном легировании. Компенсация избыточных зарядов электронами, дырками или зарядами точечных дефектов ослабляет их влияние, но не устраняет его полностью, так как возникающие при компенсации нейтральные образования чаще всего имеют структуру диполей и продолжают оказывать влияние на кристаллическое поле матрицы. Это влияние может быть особенно сильным, если в процессе компенсации зарядов образуются комплексы с участием ионов-активаторов, что приводит к изменениям симметрии кристаллического поля вблизи иона-активатора.

2. Естественным является требование прозрачности кристаллической матрицы в области длин волн накачки и излучения лазера. В противном случае к.п.д. лазера будет снижен из-за поглощения полезного излучения самой кристаллической матрицей. Однако даже в абсолютно прозрачной кристаллической матрице часть энергии накачки передается фононному спектру кристалла из-за безызлуча-тельных переходов уровней возбуждения активатора. В мощных непрерывных или импульсно-периодических лазерах часть энергии, переходящая в тепло, настолько велика, что приходится прибегать к искусственному охлаждению кристаллического элемента. Энергия накачки и генерации локализована в основном в центральной части лазерного элемента, а охлаждение происходит по периферии. Это приводит к появлению градиента температуры и термическим напряжениям, а следовательно, к целому ряду нежелательных эффектов от появления «тепловой линзы» до растрескивания кристаллического элемента. Для уменьшения градиента температур кристалл должен обладать высокой теплопроводностью.

3. Высокая механическая прочность кристалла снижает вероятность его растрескивания под действием механических напряжений, которые могут возникать не только из-за термической неоднородности, но и из-за чисто механических причин при установке лазерного элемента в квантрон. Механические свойства (твердость) кристалла важны и при механической обработке. Известно, что при твердом материале легче обеспечить высокий класс механической обработки.

4. Лазерный кристалл в квантроне конструкционно сопрягается с другими материалами. При таком сопряжении в условиях меняющейся температуры следует учитывать коэффициенты термического расширения и лазерных, и конструкционных материалов.

5. Последним по порядку, но не по важности является требование достаточной технологичности кристалла. В термин «технологичность» входит очень широкий круг свойств и особенностей, позволяющих получать кристалл с требуемыми качествами и приемлемыми экономическими характеристиками при современном уровне технологии.

Возможность практического применения кристалла определяется сочетанием вышеназванных свойств. Для того или иного специального применения приходится отступать от некоторых требований. Например, щелочно-галоидные кристаллы обладают весьма низкими механическими характеристиками, но уникальные свойства их центров окраски делают их перспективными для создания лазеров с перестраиваемой частотой и фотохромных модуляторов света.

Генерация света получена на многих десятках кристаллических матриц, но практическое применение кристалла обеспечивается только благоприятным сочетанием его свойств. Именно благодаря уникальному сочетанию свойств нашли широкое применение лазеры, использующие в качестве рабочего тела оксиды алюминия и иттрия. Система дала важнейшие кристаллические матрицы, составляющие основу промышленного производства твердотельных лазеров.