Сибирские ученые создали эффективные кристаллы для лазеров
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 ИГМ 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.
Структура SrPb3Br8 и выращенный кристалл
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 заграницей: в Италии, Японии и США.
