), поликристаллические (Прозрачные керамические материалы), полимерные (Органическое стекло) и другие материалы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн . Их применяют для изготовления оптических элементов, работающих в ультрафиолетовой , видимой , инфракрасной областях спектра .

В разговорной речи и в промышленности нередко все твёрдые оптические материалы называют стёклами.

Роль оптических материалов иногда выполняют и оптические среды, некоторые полимеры, плёнки, воздух, газы, жидкости и другие вещества, пропускающие оптическое излучение .

Силикатные стёкла

Самым древним и известным оптическим материалом является обычное стекло , состоящее из смеси диоксида кремния и других веществ. Развитие технологии и ужесточение требований по мере роста совершенства оптических приборов привели к созданию особого класса технических стёкол - оптического стекла .

От прочих стёкол оно отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью и дисперсией .

Кварцевое стекло

Переплавляя чистый диоксид кремния (например, горный хрусталь), получают так называемое кварцевое стекло . От прочих силикатных стёкол оно отличается существенной химической стойкостью, чрезвычайно малым коэффициентом линейного расширения и относительно высокой температурой плавления (1713–1728 °C). Благодаря этому возможно построение оптических систем, работающих в более широком диапазоне температур и агрессивных сред.

Кроме того, кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолетового диапазона электромагнитных волн, что делает этот материал незаменимым для оптических систем, работающих в этой области спектра.

Органические стёкла

Основным поводом к созданию искусственного заменителя - органического стекла , стало отсутствие в пору его разработки (1930-е годы) материалов, пригодных для использования в авиации - прозрачных но нехрупких и достаточно прочных и гибких - этими качествами и был наделён данный синтетический полимер. В настоящее время органическое стекло уже не способно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым ни авиацией, ни, тем более - космонавтикой, однако на смену ему пришли другие виды пластиков и новые модификации «обычного» стекла (наделённые повышенной отражательной способностью, термостойкие и прочные). Оргстекло по строгим физико-химическим характеристикам к своему прототипу отношения не имеет.

Кремний

Инфракрасная область

Линза, изготовленная из однородного кремния , прозрачна для инфракрасного излучения и непрозрачна для видимого света. В этой области спектра кремний имеет:

• сверхвысокую дисперсию;
• самое большое абсолютное значение показателя преломления n=3,4;

Рентгеновские линзы

Свойства кремния позволили создать новый тип фокусирующих систем для волн рентгеновского диапазона. Для изготовления таких систем используется контролируемое формирование периодического массива пор в процессе глубокого фотоанодного травления кремния. в ИПТМ РАН были разработаны способы управления формой пор.

Волоконная оптика, как термин, это учение о распространении светового потока в оптическом волокне. Как продукция, волоконная оптика – это все то, что имеет в составе оптико-волоконный элемент.

Оптическое волокно – это изготовленная из кварцевого стекла тонкая жила, внутри которой течет световой луч, не покидая ее пределов. Сегодня существует оптоволокно с пластиковым сердечником, характеристики которого близки к натуральному кварцу. Смысл один – световой пучок отражается от стенок жилы и сохраняет свое информационное содержание вне зависимости от дальности передачи данных. Именно оптоволокно – самый лучший материал трансляции цифрового сигнала без затухания на дальние расстояния.

Появление и развитие оптоволокна

Световые сигналы, как метод обмена информацией, используются со времен появления огня. Идея информирования светом в новом времени впервые была апробирована Р.Гуком, который создал оптический телеграф, способный передавать информацию с помощью интервальной трансляции световых видимых сигналов, которые можно было увидеть на разных расстояниях невооруженным глазом или в подзорную трубу.

Далее появился другой сигнальный аппарат, который разработал Клоп Шапп. Здесь была трансформирована не только идея использования световых импульсов, но и введена систематизация подаваемых аппаратом сигналов. Теперь наборы знаков были унифицированы, а для их расшифровки был составлен словарь. Телеграфы нового типа быстро распространились не только на родине создателя во Франции, но и по всему континенту.

После этого был еще ряд доработок световых телеграфов, пока в 1960 году не появился лазер. Открытие принадлежит советским ученым, которые не только открыли новую форму светового луча, но и заложили базу для дальнейшего развития методик передачи данных светом.

Современные оптико-волоконные линии связи отличаются большей долговечностью, качеством, стойкостью к внешним воздействиям и разы превосходят медные кабельные сети передачи данных. Несмотря на более высокую стоимость, оптоволокно быстро и уже почти полностью заменило магистральные телекоммуникационные сети, обеспечив высокую скорость, чистоту и защиту сигнала от помех.

Материалы для оптоволокна

Как мы говорили выше, оптоволоконный кабель в сердечнике имеет кварцевый или полимерный стержень. Натуральный кварц обуславливает следующие характеристики кабельной продукции:

Высокую оптическую проницаемость, что позволяет транслировать волны разных диапазонов.

Малое затухание (потери сигнала), что является определяющим преимуществом для использования оптоволокна при построении магистралей большой протяженности.

Температурную стойкость – оптико-волоконные кабели могут эксплуатироваться при экстремально высоких температурах.

Большую гибкость – световоды на основе кварцевого оптоволокна могут иметь до 1000 микрометров в диаметре.

К минусам стоит отнести снижение пропускной способности в зонах с инфракрасным излучением: здесь сигнал затухает и использование дорогостоящих кабелей нецелесообразно.

Структура оптического кабеля

Вне зависимости от того, используется кварцевый или полимерный материал, структура кабеля одинакова. Ее образуют:

Сердечник. Отвечает за распространение светового луча вдоль длины кабеля. Диаметр напрямую влияет на доступную площадь «попадания» светового луча, а значит – возможность подачи излучения для качественной доставки сигнала. Коэффициент преломления в сердечнике равен 1,48.

Внутренняя оболочка . Отвечает за отражение светового луча и «корректировку» его траектории. Иными словами, не дает лучу покинуть пределы сердечника. Чем выше отражающая мощность оболочки, чем быстрее распространяется луч, передается сигнал и меньше его потери.

Внешняя обшивка. Это буфер от внешних воздействий.Защищает внутренние компоненты кабеля от факторов среды, включая химические и механические воздействия. Предельно допустимая толщина обшивки не превышает 250 микрон.

Виды кабельной продукции на основе волоконной оптики

Сегодня существует два вида оптоволокна – одномодовое и многомодовое . Они различаются характеристиками и диаметром сердечника.

Диаметр сердечника одномодового волокна не превышает 8 микрон. Именно этот тип используется для трансляций на дальние расстояния, так как межмодовая дисперсия здесь практически равна нулю. Дело в том, что в столь малом диаметре можете перемещаться только один луч, поэтому возможность возникновения помех отсутствует.

Многомодовое волокно в диаметре может составлять 62,5 микрона. Здесь большая площадь приема, что позволяет двигаться нескольким лучам одновременно. При этом ввод лучей, как правило, происходит под разными углами, что повышает рассеивание из-за отражения этих лучей от поверхности оболочки. Соответственно, скорость и качество сигнала снижаются, поэтому подобные линии используются для локальных сетей и передачи сигнала между близлежащими строениями.

Многомодовое волокно бывает:

Градиентным. Его особенность – разная плотность сердечника на разных его участках. Это позволяет управлять потоком, «разгоняя» луч на участках смены плотности, что увеличивает общую скорость передачи данных.

Ступенчатым . Волокно с одинаковой плотностью сердечника на всем протяжении кабеля. Вероятность межмодовой дисперсии здесь выше, а скорость передачи – ниже.

Область применения

Оптическое волокно применяется в любых сферах, где требуется построение телекоммуникационных сетей и проведение технических изысканий с использованием оптических датчиков. Медицина, наука, добывающая промышленность, ЖКХ, ваш компьютер – все в той или иной мере использует технологии волоконной оптики.

Оптические материалы , кристаллич. или аморфные материалы, предназначенные для передачи или преобразования света в разл. участках спектрального диапазона. Различаются по строению, свойствам, функцией, назначению, а также по технологии изготовления.

Структура и свойства. По строению оптические материалы подразделяют на моно- и поликристаллические, стекла, аморфные, стекло-кристаллические и жидкокристаллические. Прир. монокристаллы, например, CaF 2 , SiO 2 , кальцита СаСО 3 , . каменной и др., давно используют в качестве оптических материалов. Кроме того, используют большое кол-во синтетич. монокристаллов, обладающих прозрачностью в разл. участках оптич. диапазона (рис. 1) и имеющих высокую однородность и определенные габариты.

Поликристаллические оптические материалы характеризуются прозрачностью, по величине сходной с прозрачностью монокристаллов, и лучшими по сравнению с ними конструкц. свойствами. Наиб. применение находит оптич. (иртраны) на основе Аl 2 О 3 (напр., поликор, или лукалокс), Y 2 O 3 (иттралокс), MgAl 2 O 4 , SiO 2 (кварцевая оптич. керамика), цирконато-титанатов Pb, La (электрооптич. керамика), а также бескислородные поликристаллические оптические материалы для ИК области спектра- LiF, MgF 2 , ZnS, ZnSe и др.

Оптические стекла характеризуются высокой прозрачностью в разл. спектральных диапазонах, высокой однородностью структуры, позволяющей сохранять неизменность фронта световой волны при ее распространении в толще стекла, коррозионностойкостью, хорошими конструкц. свойствами, относительно простой технологией изготовления крупногабаритных изделий и изделий со сложной конфигурацией. Применяются с 18 в. В качестве оптических материалов используют бесцветные или цветные оксидные и бескислородные стекла (см. также Стекло неорганическое). Большинство оксидных оптич. стекол-силикатные (более 30-40% SiO 2 по массе), свинцово- или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 разл. . например алюмосиликафосфатные стекла, содержащие Аl 2 О 3 , SiO 2 , P 2 O 5 . Несиликатные оксидные стекла содержат Р 2 О 5 , В 2 О 3 , GeO 2 или ТеО 2 . При изменении состава стекол изменяются и их оптич. константы, главным образом показатель преломления n D и коэф. дисперсии света v D . В зависимости от величин этих характеристик на диаграмме n D - v D (т. наз. диаграмма Аббе) оптические материалы делят на типы – кроны и флинты (рис. 2). Флинты характеризуются малым коэф. дисперсии (v D кроны -большим (v D > 50). Стекла обоих типов наз. легкими или тяжелыми в зависимости от величины показателя преломления. Обе разновидности стекол имеют общие компоненты - SiO 2 , Na 2 O, К 2 О. Кроме того, для увеличения v D в состав кронов добавляют В 2 О 3 , А1 2 О 3 , ВаО, СаО, в состав флинтов-PbO, TiO 2 , ZnO, MgO, Sb 2 O 3 . Осветлители стекол-As 2 O 3 и Sb 2 O 3 . Наиб. высокими значениями v D обладают фосфатные флинты на основе Р 2 О 5 (особенно при введении металлов).

Неорг. аморфные оптические материалы используют главным образом в виде разл. пленок, иногда в виде массивных образцов (напр., аморфный Si); орг. аморфные оптические материалы - в виде пленок, оптич. волокон, массивных образцов (напр., ..

О стеклокристаллических оптические материалы см. . о жидкокристаллических-Жидкие кристаллы.

К особому классу относятся оптические материалы с непрерывно изменяющимся составом и оптич. свойствами. Основа таких материалов - градиентные оптич. волокна или самофокусирующие градиентные оптич. элементы (напр., селфок, или градан) в виде цилиндрич. образцов (диаметр 1-10 мм), обеспечивающих фокусировку света. Изготовляют их из таллиево-силикатных или силикогерманатных стекол, кристаллич. материалов (напр., на основе твердых растворов галогенидов Т1), (напр., полиметилметакрилата). Градиентные слои и пленки на монокристаллах Li и др. кристаллич. или стеклянных материалах - основа интегрально-оптич. устройств.

По спектральному диапазону различают оптические материалы, пропускающие в УФ, видимой и ИК областях спектра. Некоторые оптические материалы характеризуются широким плато спектрального пропускания, иногда разбиваемого на отдельные окна прозрачности селективными полосами поглощения примесей. Для работы в УФ (> 0,2 мкм), видимой и ближней ИК областях спектра применяют главным образом кварц, фториды Li и Na; для работы в средней и дальней областях ИК спектра-преим. бескислородные оптические материалы. Такие оптические материалы, как Si, Ge, GaAs, InSb, пропускают только ИК излучение; щелочных металлов, BaF 2 , ZnSe прозрачны в видимой, ближней и средней ИК областях спектра; КСl, GaAs, TlBr-TlI и др. пропускают интенсивное лазерное ИК излучение.

Материалы оптических устройств (линзы, светофильтры и т.п.) имеют определенный показатель преломления, высокую прозрачность в определенном спектральном диапазоне, хорошо поддаются оптико-мех. обработке (шлифованию, полировке) поверхности. Наиб. важное свойство-оптич. однородность, т.к. ослабление (потери) света, наряду с поглощением, определяется рассеянием на разл. структуры-микровключениях посторонних фаз, пузырях и свилях (областях стекол с измененным показателем преломления), микропорах (для керамики) и т.п.

Просветляющие покрытия служат для уменьшения коэф. отражения оптич. устройств, отражающие-для изготовления зеркал, поглощающие-для чернения поверхности. Разновидность просветляющих покрытий - интерференц. покрытия толщиной 10-150 мкм; они м. б. многослойными и характеризоваться постепенным изменением показателя преломления от низкого (1,3-1,55; NaAlF 4 , MgF 2 или SiO 2) до среднего (2,0-2,6; ZrO 2 , GeO 2 , ZnS, TiO 2 или A1 2 S 3) и высокого (более 3,0; Si, Ge). Отражающие покрытия изготовляют главным образом из Ag, Au, Al, поглощающие - из . . и .

Электрооптические, магнитооптические, акустооптические и пьезооптические оптические материалы характеризуются способностью менять свои оптич. свойства под действием разл. полей (электрич., магн., звуковых). Наиб. распространенные электрооптич. материалы-КН 2 РО 4 , KH 2 AsO 4 и их дейтериевые аналоги, др. и аммония, типа сфалерита и эвлитина, разл. сегнето- и антисегнетоэлектрики, в т.ч. LiNbO 3 , LiTaO 3 , BaTiO 3 , бариевостронциевые бронзы и др. К маг-нитооптич. материалам относят железоиттриевые и железо-гадолиниевые гранаты, ферриты, содержащие РЗЭ, и др. (см. Магнитные материалы). Осн. акустооптич. и пьезооптич. материалы - кварц, мн. титанаты, ниобаты, танталаты и др. (см. Акустические материалы).

Многие оптические материалы способны поляризовать световой поток, например вращать плоскость поляризации света. При облучении некоторых оптических материалов видимыми и УФ лучами наблюдается вторичное свечение-фотолюминесценция (см. Люминесценция).

Методы получения. В зависимости от состава и назначения оптических материалов для их получения применяют разл. методы. Общим является то, что все оптические материалы получают из сырья, максимально очищенного от примесей (напр., для оптических материалов, работающих в видимой и ближней ИК областях, осн. красящие примеси-Fе, Mn, Cu, Cr, Ni, Co). Содержание примесей в сырье не должно превышать 10 -2 % по массе, что обеспечивает коэф. поглощения менее 10 -2 см -1 , а в случае волоконно-оптич. материалов -10 -5 -10 -7 % по массе.

Для выращивания синтетич. используют методы монокристаллов выращивания, для оксидной керамики - спекание (см. Керамика), для получения поликристаллических оптических материалов из .горячее прессование. Бескислородные поликристаллические оптические материалы для ИК области спектра с размерами зерен ~ 50 мкм и коэф. поглощения ~ 10 -3 см -1 получают с использованием метода хим. осаждения из газовой фазы или конденсацией из паровой фазы. Оптические стекла получают методом варки стекла. Для кварцевых оптич. волокон наиб. распространено хим. осаждение из газовой фазы по реакциям SiCl 4 + O 2 SiO 2 + 2 Сl 2 или SiCl 4 + О 2 + 2Н 2 SiO 2 + 4 НСl. Образующиеся при высокой температуре частицы SiO 2 осаждают (в виде слоев) на внутр. поверхность кварцевой трубки (т. наз. CVD-метод; англ, chemical vapor deposition), внеш. поверхность цилиндрич. подложки (OVD-метод; англ. outer vapor deposition) или на торец затравочного кварцевого стержня (VAD-метод; англ, vapor axial deposition); затем при нагревании заготовка оплавляется и вытягивается в тонкое оптич. волокно. Для изменения состава и n D кварц легируют Ge, F и др. Для получения поликомпонентных и ИК оптич. волокон используют филь-ерный метод или перетяжку пары "согласованных" стекол по методу "штабик-трубка".

Оптические материалы

оптическим излучением

Самыми распространенными в настоящее время являются кристаллы группы KDP .

KDP (дигидрофосфат калия,KH 2 PO 4 ),

DKDP (дидейтерофосфат калия,KD 2 PO 4 ),

ADP (дигидрофосфат аммония NH4 H2 O4 ),

DADP (дейтерированный дигидрофосфат аммония ND4 D2 O4 ), CDA (дигидроарсенат цезия CsH2 AsO4 ),

DCDA (детероарсенат цезия CsD2 AsO4 ), KDA (дигидроарсенат калия KH2 AsO4 ), RDA (дигидроарсенат рубидия RbH2 AsO4 ), RDP (дигидрофосфат рудибия RbH2 PO4 ).

В основном используются кристаллы KDP иDKDP .

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

Дигидрофосфат калия (KDP) (KH 2 PO 4 ) –

синтетический бесцветный кристалл, выращиваемый из водных растворов методом медленного снижения температуры.

Кристалл KDP был использован в качестве нелинейной среды одним из первых, так что величина его нелинейных характеристик до сих пор является эталоном, и часто нелинейные коэффициенты других кристаллов даются в единицах, относительно KDP.

Диапазон прозрачности 0,1767 1,5 мкм. Коэффициент линейного поглощения 0,03 0,05 см-1 вблизи = 1,06 мкм. Обладает высоким линейным электрооптическим эффектом при наложении электрического поля вдоль осиz , т.е. вдоль направления (001). Электрооптическая постояннаяr 63 = 10,5 10-10 см/В (при = 0,9893 мкм,Т = 295 К). В настоящее время является одним из основных материалов для изготовления умножителей частоты, генераторов гармоник, модуляторов света. Температура эксплуатации не должна превышать 393 К. Особенно эффективно применение при пониженных температурах и при частотах до 10 Гц (при СВЧ сильно возрастают диэлектрические потери). Показатели преломления

n о = 1,4936,n е = 1,4598 (для = 1,06 мкм). Полуволновое напряжение для = 0,547 мкм приT = 293 К 7,5 кВ. Плотность 2,338 г/см3 .

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

KDP имеет высокую оптическую прочность (около 2 ТВт/см2 при воздействии пикосекундных импульсов = 30 пс, = 1,06 мкм, поверхностная прочность примерно на порядок меньше и сильно зависит от состояния рабочих поверхностей). Кристаллы хорошо растворяются в этиловом спирте, бензине, но особенно хорошо растворяются в воде (33 г на 100 г воды) и высоко гигроскопичны.

К основным недостаткам относятся малая механическая прочность, высокая гигроскопичность и невозможность использования для модуляции излучения при длинах волн больше

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

Дидейтерофосфат калия (DKDP) (KD 2 PO 4 ) – является дейтерированным аналогом KDP и имеет более высокие технические и эксплуатационные характеристики. DKDP выращивается из водных растворов с использованием тяжелой воды.

Прозрачен от 0,2 до 2 мкм, коэффициент поглощения при

1,06 мкм на порядок ниже, чем у KDP. В связи с более высоким значением электрооптического коэффициента (более чем в 2 раза) получил более широкое распространение в модуляторах, чемKDP (электрооптическая постояннаяr 63 = 25,7 10-10 см/В при = 0,69 мкм,Т = 293 К). При уменьшении температуры электрооптическая постоянная резко возрастает (379 10-10 см/В при 217 К).

Ниобат лития (LiNbO 3 )

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

) – одноосный отрицательный кристалл тригональной сингонии. Нерастворим в воде и слабых кислотах. Весьма технологичен при механической обработке и склеивании. Производится методом вытягивания из расплава.

Диапазон прозрачности 0,33 5,5 мкм.

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

Кристалл широко используется в системах генерации второй гармоники лазерного излучения и в электрооптических модуляторах света (т.к. обладает малыми полуволновыми напряжениями – всего сотни вольт).

Имеет существенные недостатки: ярко выраженный фоторефрактивный эффект (обратимое оптическое разрушение типа optical damage); малая оптическая прочность (излучение неодимового лазера разрушает кристаллы ниобата лития при интенсивности 6 МВт/см2 ); необходимость хорошей термостабилизации. Эти недостатки позволяют использовать ниобат лития в модуляторах только низкоинтенсивных лазеров (типа гелий-неонового). Ниобат лития с примесями элементов группы железа широко применяется в оптических запоминающих устройствах. Находит свое использование и в поляризационных призмах в условиях повышенной влажности.

Оптическая керамика (иртран )– это стеклокристаллический материал, получаемый из поликристаллической массы методом горячего (при температурах около 2/3 температуры плавления вещества) прессования под большим давлением в вакууме. Размер зерен микрокристаллов порядка десятков микрометров.

Данные керамики механически изотропны, по термомеханическим свойствам значительно превосходят аналоги соответствующих монокристаллов. Хорошо обрабатываются и обладают высокой устойчивостью к тепловым ударам. По плотности и прозрачности эти материалы близки к соответствующим монокристаллам.

Преимущество керамик заключается в их высокой однородности, которая дает возможность изготавливать из них крупные оптические детали.

Помимо этого керамика применяется для изготовления светорассеивающих экранов, подложек интерференционных светофильтров, окон приборов, работающих в ИК области спектра, а также в условиях высоких механических и термических нагрузок.

Оптические поликристаллы (оптическая керамика)

Наиболее распространена оптическая керамика КО1 (MgF 2 ). Ее рабочий спектральный интервал 1…7 мкм.

Керамика КО2 (ZnS ) работает в интервале 1…14 мкм. Показатель преломления для 10,6 мкм равен 2,2. Температура плавления 1850 С, но гораздо ранее она начинает окисляться.

Керамика КО3 (CaF 2 ) может работать в спектральном интервале 0,4…10 мкм, но рабочая область сильно зависит от качества сырья, в видимой области прозрачность несколько ниже, чем у монокристалла. Химически устойчива. Отсутствие плоскостей спайности в поликристаллическом фтористом кальции увеличивает его устойчивость к механическим и тепловым ударам. Является перспективным материалом для прозрачных в ИК области элементов, работающих при больших перепадах давления и температуры.

Оптические поликристаллы (оптическая керамика)

Керамика КО4 (ZnSe )

диапазон 0,5…21 мкм (реально до 15 мкм),

но рабочая область зависит от качества сырья, в видимой области прозрачность несколько ниже, чем у монокристалла.

Показатель преломления n=2,402 при λ=10,6мкм (сильно зависит от температуры).

Показатель поглощения α=0,13 см-1 при λ=10,6мкм.

Температура плавления 1520 С, но сильное окисление начинается от

В воде не растворяется, слабо растворяется в кислотах. Является перспективным материалом для прозрачных в ИК отласти элементов, работающих при больших перепадах давления и температуры.

Керамика КО5 (MgO ), диапазон 0,4…8 мкм. Температура плавления 2800 С.

n=1,723 при =2 мкм.

Высокая теплопроводность позволяет использовать КО5 в изделиях, подвергающихся температурным ударам. В воде не растворяется, но при длительном хранении в атмосферных условиях взаимодействует с влагой и углекислотой с поверхностным образованием тонкого налета карбоната магния. Поэтому при длительном хранении поверхность лучше подвергать химической защите.

Существует большое количество типов лазера. Однако принцип работы один, поэтому существуют некоторые осовные части для любого лазера. Это активная среда, система накачки, оптический резанатор. Еще добавим такие элементы конструкции как: корпус, подвижные и герметичные системы, электроника, фильтры. Для всех этих элментов используют разные материалы. Эти материалы можно разделить на конструкционные и оптические. Конструкционные материалы -- материалы, из которых изготовляются различные конструкции, элементы сооружений, детали машин, воспринимающих силовую нагрузку. Оптические материалы - это природные и синтетические материалы, стёкла, поликристаллические, полимерные и другие материалы, монокристаллы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Их применяют для изготовления оптических элементов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Оптические материалы

Активная среда

Вещество, в котором создана инверсия населённостей энергетических уровней квантовой системы называется активной средой. Активная среда усиливает проходящее через неё резонансное электромагнитное излучение при условии, если коэффициент квантового усиления превышает коэффициент потерь энергии в активной среде. Применение положительной обратной связи позволяет использовать рабочие тело для создания генератора когерентного электромагнитного излучения. В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и плазма.

Твердотельные лазеры

Лазеры, где активной средой являеться твердое вещество, называются твердотельными лазерами. Их в свою очередь можно поделить на волокнистые, полупроводниковые и лазеры на кристаллах и стеклах. Однако все материалы, особенно кристаллы, должны иметь правильную атомно-кристаллическую решетку и поэтому многие, из них, кроме кристаллов с простой кубической решеткой (кремний, германий), отличаются анизотропией оптических свойств. В оптически анизотропных кристаллов луч света делится на два луча, поляризованые в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Начиная с обычного карманного лазера с диодной накачкой, можно заметить, что он имеет сложную систему из нескольких активных сред. Первая среда это кристалл алюмо-иттриевыего граната (YAG) или ортованадата иттрия. Следующей ступенью является нелинейная оптическая система из кристалла титанил фосфата калия (KTiOPO 4 , KTP). Такая система связана с увеличением вдвое частоты входного излучения. Вследствии чего длинна волны находиться в интервале видимого излучения (см. рис. 1) в зеленом диапозоне, при этом потери в лазере минимальны. КПД в таком случае может достигать 20%, по сравнению сравнению с 3% у других карманых лазеров. В рубиновом лазере рабочим телом является искусственный сапфир Al 2 O 3 с примесью Cr 2 O 3 . Благодаря чему излучение лазера окрашивается в монохроматический ярко-розовый цвет с малой продольной модой. Такие лазеры широко распространены в голографии, является одним из первых лазеров.

Еще один твердотельный лазер - лазер на оптическом волокне. Существует большое разнообразие конструкций волоконных лазеров, обусловленное спецификой их применения. Специальными методиками можно создать однополяризационные лазеры, лазеры сверхкоротких импульсов и другие. Во всех волоконных лазерах применяются специальные типы оптических волокон, в которые встроены один или несколько волноводов для осуществления оптической накачки. В таблице представлены основные материалы, используемые в качестве активной среды в твердотельных лазерах.

Таблица 1

Типы твердотельных лазеров

Полупроводниковые лазеры - это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где генерация происходит, как правило, за счет вынужденного излучения фотонов при межзонных переходах электронов в условиях высокой концентрации носителей в зоне проводимости. Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители генерируются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутризонные переходы (см. рис. 2). Основными материалами для таких лазеров являются:

• · GaAs (арсенид галлия)
• · AlGaAs (арсенид галлия - алюминия)
• · GaP (фосфид галлия)
• · InGaP (фосфид галлия - индия)
• · GaN (нитрид галлия)
• · InGaAs (арсенид галлия - индия)
• · GaInNAs (арсенид-нитрид галлия индия)
• · InP (фосфид индия)
• · GaInP (фосфид галлия-индия)

Эти полупроводники являются прямозонными; полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, не обладают сильным и эффективным световым излучением. Так как энергия фотона лазерного диода близка к энергии запрещенной зоны, полупроводниковые композиции с разными энергиями запрещенной зоны позволяют получить излучение с различными длинами волн. Помимо это полупроводниковые лазеры отличаются высоким КПД, малой инерционностью и простотой конструкции .