Лазерная промышленность постоянно развивается, предъявляя новые требования к кристаллам, которые являются рабочей основой в твердотельных лазерах, и именно от них зависит генерация излучения.
В лаборатории роста кристаллов Института геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН создали кристаллы бромида и хлорида, которые позволяют получить излучение до десяти микрон вместо традиционных пяти.
Кристаллы состоят из трех элементов: галогенида (брома или хлора), калия или рубидия и свинца, их легируют, то есть внедряют примеси, редкоземельными элементами (РЗЭ). Генерация происходит на переходах ионов в РЗЭ, но, к сожалению, этот процесс не всегда является излучательным: в кристаллах с высокой энергией фононного спектра происходит безызлучательный переход, при котором только выделяется тепло.
Это характерно для "легких" матриц. Новые кристаллы бромида и хлорида позволяют избежать этой проблемы: из-за того что они состоят из тяжелых атомов, которые сложно "раскачать" и перевести в тепловую энергию, происходят в основном излучательные процессы.
Тем не менее, без трудностей не обошлось. В группе матриц, содержащих рубидий и отличающихся хорошим качеством, был низкий коэффициент внедрения редкоземельных элементов - недостаточный, чтобы эффективно генерировать излучение. В случае, когда в кристаллах был калий, наблюдалась другая сложность - в процессе фазовых переходов там возникали дефекты, разлагающие лазерный пучок.
"Решая эту проблему, мы получили смешанное соединение двух групп: достигли и хорошего оптического качества, и коэффициента внедрения, - рассказывает научный сотрудник Института геологии и минералогии СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Александра Тарасова. - На этом мы не остановились и решили утяжелить матрицу, внедрив в нее стронций вместо калия и рубидия. Это повысило плотность кристалла, и теперь его можно использовать не только как лазерную матрицу, но и в качестве сцинтиллятора".
Сцинтиллятор - это вещество, светящееся при поглощении ионизирующего излучения. Из-за того, что новый кристалл обладает такими свойствами, его можно использовать в качестве детектора гамма-квантов.
Кристаллы также будут полезны в высокочувствительных спектрометрах. Дело в том, что у каждой молекулы есть свой определенный колебательный спектр (индивидуальный, как отпечатки пальцев) - если исследовать его с помощью лазерных приборов, можно, например, изучать состав воздуха со всеми его примесями. В средах до пяти микрон (такое излучение генерируют традиционные кислородосодержащие кристаллы) определение веществ по колебательному спектру затруднено из-за того, что существует проблема поглощения излучения водяным паром, содержание которого в воздухе на порядки выше чем других газов. Пары H2O и CO2 "задавливают" исследуемые молекулы - это вынуждает ученых продвигаться дальше, в инфракрасный спектр, который можно исследовать с высокой точностью благодаря, например, кристаллам галогенидов.
Созданные учеными материалы уже запатентованы, а исследования с ними ведутся как в России, так и за границей - в Италии, Японии и США.
Издание "Наука в Сибири" .