Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН разработали ряд твердотельных лазеров, излучающих в среднем инфракрасном диапазоне (2 – 6 мкм). Такие лазеры могут применяться в качестве лидаров – для обнаружения в атмосфере экологически вредных примесей, для локации объектов, в спектроскопии, а также в медицине, например, в стоматологии.

Лазеры среднего ИК диапазона основаны на кристаллах соединений А2B6 (второй и шестой групп Периодической системы элементов), легированных двухвалентными ионами переходных металлов. Начиная с конца 90-х гг. и по настоящее время этот класс кристаллов представляет большой интерес, обусловленный целым рядом их достоинств.

В частности, полоса люминесценции таких кристаллов лежит в спектральной области 2–6 мкм, интересной для ряда применений, и обладает большой шириной порядка 1 мкм. Это,

во-первых, предполагает возможность плавной перестройки частоты генерации лазера в широком спектральном диапазоне, в том числе и возможность настройки длины волны генерации, например, на частоту линии поглощения конкретного газа. Во-вторых, такие активные среды перспективны для генерации ультракоротких лазерных импульсов.

Кроме того, широкие полосы поглощения этих соединений упрощают выбор источников накачки будущих лазеров.

Выходная мощность наиболее проработанных лазеров достигает 10-Ваттного уровня.

Сотрудники ФИАН разработали целый ряд инфракрасных лазеров с общим диапазоном спектра излучения от 2 до 6 мкм. В некоторых лазерах используются уже известные ранее кристаллы, но достигнуты более высокие характеристики. Однако в большинстве лазеров используются новые комбинации кристаллической матрицы и легирующей примеси.

«Столь положительного результата удалось добиться благодаря нашей собственной технологии легирования кристаллов непосредственно в процессе их роста из паровой фазы. Эта технология обеспечивает высокую степень однородности легирования ионами переходных металлов, а также степень чистоты в том, что касается нежелательных примесей. Методики, которые используют конкурирующие группы, заключаются либо в выращивании кристаллов из расплава, либо в более сложной процедуре легирования – путем твердофазной диффузии переходных металлов внутрь монокристалла во время дополнительных высокотемпературных отжигов. Но в первом случае велика вероятность загрязнения другими элементами, а во втором – среда получается недостаточно однородной», – рассказывает ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат технических наук Юрий Коростелин.

Рис. 1. Ростовая ампула в печи и температурный профиль.

Первые лазеры на кристаллах A2B6, легированных ионами переходных металлов, были реализованы на кристаллах ZnSe:Cr и ZnS:Cr.

Разработанная в ФИАНе технология позволила его сотрудникам впервые получить лазерную генерацию на кристаллах СdS:Cr, CdSe:Cr , ZnS:Fe , ZnTe:Fe, CdSe:Fe. Также впервые была достигнута непрерывная генерация на кристаллах ZnSe:Fe, СdS:Cr, CdSe:Cr. При использовании лишь четырех кристаллов CdSe:Cr, ZnSe:Fe, ZnS:Fe и CdSe:Fe была осуществлена плавная перестройка длины волны от 2 до 6 мкм. А кристалл ZnSe:Fe успешно использовался в Er:YAG и Er:YLF лазерах в качестве пассивного затвора.